Ученые создают бактерии-киборги

Встраивание полимерных каркасов внутрь бактерий останавливает их репликацию и приводит к созданию клеток-киборгов, которые наполовину живые, наполовину искусственные.

Святой грааль" в синтетической биологии - это создание полностью программируемых биомашин, созданных путем модификации живых клеток. Эти живые киборги, если хотите, нашли доказательное применение в таких областях, как живая терапия, биоремедиация и доставка лекарств.

Хотя их потенциал высок, их применение в реальном мире пока ограничено, поскольку их трудно контролировать из-за их естественной способности адаптироваться и эволюционировать в ответ на окружающую среду. Мы не говорим о киборгах-людоедах, однако применение этих автономно реплицирующихся организмов часто требует специальных стратегий биоконсервации, что может вызвать логистические трудности и проблемы с безопасностью.

"В отличие от этого, неживые синтетические клетки, в частности искусственные клетки, могут быть созданы с использованием синтетических материалов, таких как полимеры или фосфолипиды", - пишут ученые из Института биомедицинских наук при Академии Синика в Тайбэе и факультета биомедицинской инженерии Калифорнийского университета. "Тщательная разработка материалов позволяет распределять биологически активные вещества, и получаемые [...] системы обладают такими преимуществами, как предсказуемость функций, устойчивость к определенным стрессовым факторам окружающей среды и простота проектирования".

Полуживые клетки-киборги

В своем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Science, команда создала полуживые искусственные бактерии, которые они назвали клетками-киборгами и которые сочетают в себе лучшее из двух миров: инженерную простоту синтетических материалов и сложные функциональные возможности природных клеток.

Для этого они собрали синтетическую полимерную сеть внутри бактерий, заполнив их химически стабильным и неразлагаемым синтетическим гидрогелем. "Бактерии-киборги создаются путем воздействия на бактерии раствором гидрогеля", - объяснил Че-Минг Дж. Ху, один из старших авторов исследования. "Раствор активируется [ультрафиолетовым светом] для сшивания гидрогеля внутри бактерий, что создает протезный скелет".

"Они не реплицируются, сохраняют важную клеточную деятельность и приобретают неродные способности", - добавил Чименг Тан, еще один из старших авторов исследования. Эксперименты показали, что бактерии-киборги остаются метаболически активными, то есть их генетический материал, текучесть мембран, функциональность мембранных белков и пути синтеза белков остаются неповрежденными и функциональными.

"Они могут быть использованы для решения экологических проблем, диагностики или лечения заболеваний, а также для борьбы с бактериями, устойчивыми к антибиотикам", - говорит Тан. "Потенциально без риска загрязнения экосистем или организмов, как это произошло бы с живыми синтетическими клетками, поскольку их способность к размножению была устранена".

В отличие от генетических подходов к созданию искусственных клеток путем модификации их ДНК, это гидрогелевое генерирование клеток-киборгов имеет дополнительное преимущество: его легко применять к различным штаммам бактерий без необходимости учитывать совместимость со сложной генетикой.

"Поэтому мы протестировали протокол внутриклеточного гидрогелирования на различных штаммах E. coli с разными генотипами и линиями", - говорит команда. "Наша текущая, неопубликованная работа также показывает, что протокол может быть применен не только к E. coli, но и к другим видам бактерий".

В соответствии с предыдущими результатами, гидрогелевый каркас был легко создан внутри E. coli MG1655 и пробиотического штамма Nissle 1917, что привело к появлению клеток Cyborg MG1655 и Cyborg Nissle 1917 под тем же протоколом, опосредованным светом.

Далее команда продемонстрировала, что в дополнение к сохранению естественных клеточных функций, они также могут вызывать новые функции у своих киборгов, такие как способность сопротивляться стрессовым факторам, которые обычно убивают их естественные аналоги, такие как среда с высоким pH или присутствие перекиси водорода или антибиотиков. "Эти способности могут повысить устойчивость бактерий-киборгов для практического применения в [кишечнике человека] или в естественных средах, таких как почва, пищевые отходы и реки", - добавил Тан.

Наконец, они показали, что клетки-киборги могут быть использованы для вторжения в раковые клетки в моделях in vitro. "Мы создали клетки-киборги, которые могут вторгаться в клетки млекопитающих при помощи белка инвазина", - написали они. "Инвазин - это одногенный белок из Yersinia pseudotuberculosis, который, как известно, опосредует адгезию и вторжение в клетки млекопитающих при экспрессии в E. coli".

Что дальше?

Команда говорит, что эта работа все еще находится на предварительной стадии. Как они смогут различать здоровые и больные клетки, а также что они будут делать, например, внутри раковой клетки, еще предстоит выяснить.

Тем не менее, это интересное доказательство концепции, демонстрирующее, как сочетание синтетических материалов и природных клеток может создать полуживые существа с гибридными характеристиками и новыми возможностями. Будущие направления, говорит команда, будут включать в себя улучшение их производства и совершенствование их работы.

"В настоящее время они имеют ограниченную продолжительность работы после развертывания", - пояснил Луис Контрерас-Ллано, первый автор исследования. "Кроме того, для их производства в большом количестве и с высокой чистотой требуется усовершенствование".

По словам Тана, его команда надеется продолжить изучение влияния созданных человеком полимеров на живые клетки с целью дальнейшего развития биотехнологических приложений, а также изучить этические последствия этих "полуживых" существ.

"Процесс создания клеток-киборгов с помощью гидрогелеобразования поднимает множество новых биоэтических вопросов, два из которых, вероятно, являются наиболее важными: Являются ли клетки-киборги новым видом жизни? И как мы можем быть этически ответственными при исследовании процессов гидрогелирования клеток - например, гидрогелирования дрожжей и других непрокариотов для внедрения в естественную среду?"

Источник

PS от автора: если вам нравятся статьи которые я публикую. Пишите пожалуйста комментарии, ставьте лайки и обязательно подписывайтесь чтобы ничего не пропустить. Так вы помогаете моему каналу и мотивируете меня. Спасибо!