Syntetiske biologer hacker bakteriesensorer

Rice Universitys syntetiske biologer har hacket bakteriel sansning med et plug-and-play-system, der kan bruges til at mixe og matche titusindvis af sensoriske input og genetiske output. Teknologien har vidtrækkende implikationer for medicinsk diagnostik, studiet af dødelige patogener, miljøovervågning med mere.

I et projekt, der strækker sig over næsten seks år, Rice bioingeniør Jeff Tabor og kolleger udførte tusindvis af eksperimenter for at vise, at de systematisk kunne omkoble to-komponent systemer, de genetiske kredsløb, bakterier bruger til at fornemme deres omgivelser og lytte til deres naboer. Deres arbejde vises i en undersøgelse offentliggjort i denne uge i Naturens kemiske biologi .

Tabors gruppe omkoblede udgangene fra kendte bakteriesensorer og flyttede også sensorer mellem fjernt beslægtede bakterier. Mest vigtigt, de viste, at de kunne identificere funktionen af ​​en ukendt sensor.

"Baseret på genomiske analyser, vi ved, at der er mindst 25, 000 to-komponent systemer i bakterier, " sagde Tabor, lektor i bioteknik ved Rice's Brown School of Engineering og den ledende videnskabsmand på projektet. "Imidlertid, for omkring 99 % af dem, vi aner ikke, hvad de fornemmer, eller hvilke gener de aktiverer som reaktion."

Vigtigheden af ​​et nyt værktøj, der låser op for to-komponent systemer, understreges af opdagelsen i 2018 af to stammer af en dødelig, multiresistent bakterie, der bruger et ukendt to-komponent system til at undgå colistin, et antibiotikum af sidste udvej. Men Tabor sagde, at de mulige anvendelser af værktøjet strækker sig ud over medicin.

"Dette er naturens største skatkammer af biosensorer, " sagde han. "Baseret på den udsøgte specificitet og følsomhed af nogle af de to-komponent systemer, vi forstår, det er en udbredt opfattelse, at bakterielle sensorer vil overgå alt, hvad mennesker kan lave med nutidens bedste teknologi."

Tabor sagde, at det skyldes, at bakterielle sensorer er blevet finpudset og forfinet gennem milliarder af års evolution.

"Bakterier har ikke noget nær så sofistikeret som øjne, ører eller næse, men de rejser mellem meget forskellige miljøer – som et blad eller en tarm eller jorden – og deres overlevelse afhænger af deres evne til at fornemme og tilpasse sig disse ændringer, " han sagde.

"To-komponent systemer er, hvordan de gør det, " sagde Tabor. "Dette er de systemer, de bruger til at "se" lys, "lugt" kemikalierne omkring dem og "hør" de seneste nyheder fra samfundet, som kommer i form af biokemiske tweets udsendt af deres naboer."

Bakterier er den mest udbredte form for liv, og to-komponent systemer har vist sig i stort set alle bakterielle genomer, der er blevet sekventeret. De fleste arter har omkring to dusin af sensorerne, og nogle har flere hundrede.

Der er mere end et halvt dusin brede kategorier af to-komponent systemer, men alle fungerer på samme måde. De har en sensorkinase (SK) komponent, der "lytter" efter et signal fra omverdenen, og ved at "høre" det, starter en proces kaldet fosforylering. Det aktiverer den anden komponent, en responsregulator (RR), der virker på et specifikt gen - tænder eller slukker det som en kontakt eller op eller ned som en skive.

Mens den genetiske kode for komponenterne let kan ses på en genomisk scanning, det dobbelte mysterium gør det næsten umuligt for biologer at afgøre, hvad et to-komponent system gør.

"Hvis du ikke kender signalet, som det sanser, og du ikke kender det gen, det virker på, det er virkelig svært, " sagde Tabor. "Vi kender enten input eller output fra omkring 1% af to-komponent systemer, og vi kender både input og output for færre stadig."

Forskere ved, at SK'er typisk er transmembrane proteiner, med et sansedomæne, en slags biokemisk antenne, der stikker gennem bakteriens sæklignende ydre membran. Hvert sensordomæne er designet til at låse på et specifikt signalmolekyle, eller ligand. Hver SK har sin egen målligand, og binding med liganden er det, der starter kædereaktionen, der tænder et gen, af, op eller ned.

Vigtigt, selvom hvert to-komponent system er optimeret til en specifik ligand, deres SK og RR komponenter fungerer på lignende måder. Med det i tankerne, Tabor og studielederen Sebastian Schmidl besluttede i slutningen af ​​2013 at prøve at bytte det DNA-bindende domæne, den del af responsregulatoren, der genkender DNA og aktiverer pathwayens målgen.

"Hvis man ser på tidligere strukturelle undersøgelser, det DNA-bindende domæne ligner ofte last, der lige er på vej fra fosforyleringsdomænet, " sagde Tabor. "På grund af det, vi troede, at DNA-bindende domæner kunne fungere som udskiftelige moduler, eller legoklodser."

For at teste ideen, Schmidl, derefter en DFG-postdoktor i Tabors gruppe, omkoblede komponenterne i to lyssensorer, som Tabors team tidligere havde udviklet, en der reagerede på rødt lys og en anden der reagerede på grønt. Schmidl omkoblede input fra rød-lys-sensoren til output fra grønt-lys-sensor på 39 forskellige steder mellem phosphorylerings- og DNA-bindende domæner. For at se, om nogen af ​​de 39 splejsninger virkede, han stimulerede dem med rødt lys og ledte efter et grønt-lys-svar.

"Ti af dem arbejdede i første forsøg, og der var et optimum, et bestemt sted, hvor splejsningen virkelig så ud til at fungere godt, " sagde Tabor.

Faktisk, testen fungerede så godt, at han og Schmidl troede, at de måske bare var heldige og splejsede to usædvanligt velmatchede veje. Så de gentog testen, først vedhæftning af fire yderligere DNA-bindingsdomæner til den samme responsregulator og senere vedhæftning af fem DNA-bindende domæner til den samme sensorvej. De fleste af disse omledninger fungerede også, hvilket indikerer, at tilgangen var langt mere modulær end nogen tidligere offentliggjorte tilgange.

Schmidl, nu assisterende professor i biologi ved Texas A&M University Systems RELLIS campus i Bryan, forlod Rice i 2016. Medforfatter Felix Ekness, en ph.d. studerende i Rice's Systems, Syntetisk og fysisk biologi (SSPB) program, tog derefter projektet op, konstruere snesevis af nye kimærer og udføre hundredvis flere eksperimenter for at vise, at metoden kunne bruges til at blande og matche DNA-bindende domæner mellem forskellige arter af bakterier og mellem forskellige familier af to-komponent systemer.

Tabor vidste, at en topjournal ville kræve en demonstration af, hvordan teknologien kunne bruges, og opdagelsen af ​​funktionen af ​​et helt nyt to-komponent system var den ultimative test. For det, postdoc Kristina Daeffler og SSPB Ph.D. studerende Kathryn Brink transplanterede syv forskellige ukendte to-komponent-systemer fra bakterien Shewanella oneidensis ind i E. coli. De konstruerede en ny E. coli-stamme for hver ukendt sensor, og brugte DNA-bindende domænebytning til at forbinde alle deres aktiviteter med ekspressionen af ​​grønt fluorescerende protein.

Selvom de ikke kendte input til nogen af ​​de syv, de vidste, at S. oneidensis blev opdaget i en sø i upstate New York. Baseret på det, de valgte 117 forskellige kemikalier, som S. oneidensis kunne have gavn af at sanse. Fordi hvert kemikalie skulle testes en-til-en med hver mutant og en kontrolgruppe, Brink skulle udføre og replikere næsten 1, 000 separate eksperimenter. Indsatsen gav pote, da hun opdagede, at en af ​​sensorerne registrerede ændringer i pH.

En genomisk søgning efter den nyligt identificerede sensor understregede vigtigheden af ​​at have et værktøj til at låse op for to-komponent-systemer:pH-sensoren dukkede op i flere bakterier, herunder patogenet, der forårsager byllepest.

"Dette fremhæver, hvordan oplåsning af mekanismen i tokomponentsystemer kan hjælpe os med bedre at forstå og forhåbentlig også bedre behandle sygdomme, " sagde Tabor.

Hvor tager Tabor teknologien hen?

Han bruger det til at udvinde genomet af menneskelige tarmbakterier til nye sensorer af sygdomme, herunder inflammatorisk tarmsygdom og kræft, med det mål at udvikle en ny generation af smarte probiotika, der kan diagnosticere og behandle disse sygdomme.