Гидрогель с твердой оболочкой не дал бактериям из биосенсора сбежать в окружающую среду

Tzu-Chieh Tang  et al. / Nature Chemical Biology, 2021

Ученые упаковали бактерии в гидрогель с твердой оболочкой, которая пропускает только малые молекулы, но не дает самим бактериям или их генетическому материалу покинуть пределы капсулы. На основе такой конструкции можно создавать биологические элементы, выполняющие простые вычислительные операции, и использовать как биосенсоры — и не бояться выпустить в окружающую среду модифицированные организмы. Разработчики показали, что чувствительность системы позволяет определять превышение допустимых концентраций тяжелых металлов в воде и протестировали систему на образце из местной реки. Работа опубликована в Nature Chemical Biology.

Генетически модифицированные микроорганизмы — многообещающий инструмент для очистки окружающей среды, применения в сельском хозяйстве и создания живых устройств — например, биосенсоров на основе бактерий. Однако их применение сильно ограничено: существует вероятность, что бактерии или их генетический материал окажутся в окружающей среде, а это нежелательно, даже если сами по себе измененные бактерии неопасны.

Зачастую в целях безопасности в синтетической биологии используют химические способы сдерживания микроорганизмов. Например, оснащают бактерии генами, которые кодируют токсичные для самой бактерии вещества. Такая клетка может выжить, только пока она находится в питательной среде со специфическим антидотом. Однако подобные стратегии неидеальны: как и любые живые существа, измененные бактерии мутируют и со временем приобретают новые свойства. Существует ненулевая вероятность, что какие-то из них смогут научиться выживать и без помощи разработчиков. Надежный физический барьер в дополнение к химическим способам сдерживания позволил бы расширить область безопасного применения биологических устройств.

Капсулы для бактерий можно создать на основе гидрогелей — материалов, которые могут предоставить бактериям водную среду с питательными веществами, достаточно комфортную для роста клеток. Альгинатные гели (нерастворимые соли альгинатной кислоты) — нетоксичные и недорогие — уже используются в медицине, например, для доставки лекарственных средств. Однако в качестве физических барьеров, препятствующих побегу бактерий, они подходят плохо: то же изменение кислотности среды может разрушить гель.

Биологи из Массачусетского технологического института под руководством Тимоти Лу (Timothy K. Lu) предложили решение проблемы: они упаковали альгинатный гидрогель с бактериями в прочную оболочку. В качестве материала для прочного внешнего слоя ученые выбрали эластичную полимерную сеть из полиакриламида в сочетании с альгинатным гелем. Исследователи отмечают, что можно нанести несколько внешних слоев для большей прочности.

Чтобы приготовить одну такую капсулу, исследователи сначала смешали жидкую культуру кишечных палочек Escherichia coli с 50 или 100 микролитрами альгинатного геля с питательными веществами и сформировали сферы. Затем сердцевины покрыли прочным слоем из полиакриламида и альгината.

Поры в твердом слое такой капсулы достаточно малы (5-50 нанометров), чтобы не пропускать E. coli, и ученые подтвердили эффективность барьера экспериментально. Сферы с твердым покрытием и без него инкубировали в теплой среде, и проверяли, выросли ли бактерии за пределами капсулы. Мягкие сферы без оболочки не смогли удержать бактерии, и уже спустя сутки в среде была большая плотность кишечных палочек. В то же время, за 72 часа эксперимента твердые капсулы не дали убежать E. coli. Авторы также снабдили бактерии генами, которые сделали клетки зависимыми от синтетической аминокислоты, не существующей в природе. Как только в капсуле заканчивался запас этого вещества (примерно через 48 часов), бактерии теряли свою жизнеспособность. Вместе с физическим барьером, такой подход снижает вероятность побега бактерий. Кроме того, авторы показали, что генетический материал клеток (макромолекулы ДНК) не может проникнуть сквозь барьер.

Также ученые исследовали возможность передачи информации между бактериями из разных капсул или с окружающей средой при помощи малых молекул и ионов. Авторы поместили в капсулы бактерии, которые могут вырабатывать флуоресцентный белок в присутствии малой молекулы ангидротетрациклина. Когда капсулы инкубировали в растворе ангидротетрациклина (200 нанограм на миллилитр), флуоресценция в них была в 35 раз сильнее по сравнению с капсулами в обычной среде. 

В другом эксперименте авторы работы научили бактерии из разных капсул передавать информацию между собой. Одни бактерии в ответ на присутствие ангидротетрациклина в окружающей среде производили сигнальную молекулу и выделяли ее за пределы капсулы, а другие — вырабатывали флуоресцентный белок, как только чувствовали эту сигнальную молекулу.

Наконец, исследователи протестировали капсулы с бактериями в качестве биосенсоров. Авторы проверили, смогут ли E. coli определить наличие ионов кадмия в образцах воды из реки Чарльз. Ионы кадмия — распространенные загрязнители воды, которые отрицательно влияют на здоровье человека. Ученые поместили в капсулы бактерии, которые могли вырабатывать тот же флуорецсентный белок в ответ на присутствие ионов цинка, кадмия или свинца. Выяснилось, что бактерии могут определить присутствие кадмия в воде при его концентрации 5 микромоль, что ниже допустимой местными нормами концентрации (8,9 микромоль).

Ранее биологи научили бактерии выполнять логические операции и даже проводить аналоговые вычисления. Другая команда ученых показала, что в качестве переключателей генов в бактериях можно использовать не только химические вещества, но и электричество.

Вера Сысоева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.