Schakelaars voor genetisch doden houden gemanipuleerde microben niet langer AWOL

Anonim

Schakelaars voor genetisch doden houden gemanipuleerde microben niet langer AWOL

Biologie

Michael Irving

17 november, 2017

Een demonstratie van de Cryodeath-dodenschakelaar: de bovenste rij bacteriën groeit in vier verschillende verdunningen bij de beoogde 37ºC (98, 6º F), terwijl de onderste rij dezelfde verdunningen heeft bij lagere temperaturen, waardoor de wants wordt gedood (Credit: Wyss Institute at Harvard universiteit)

Bacteriën kunnen geweldige kleine werkpaarden zijn, gemaakt om betere batterijen te maken, afvalplastic op te ruimen, kanker te bestrijden en zelfs zuurstof te produceren voor de eerste menselijke kolonisten op Mars. Het probleem is dat we niet echt weten wat de sluwe beestjes zouden kunnen doen als ze ooit zouden ontsnappen uit hun beoogde omgeving - en laten we het onder ogen zien, waarschijnlijk wel. Om de fouten onder controle te houden, hebben wetenschappers van het Wyss Institute van Harvard twee soorten "kill-switches " ontwikkeld die in hun genoom kunnen worden ingebed.

Het Harvard-team bouwt voort op eerder werk, dat manieren ontwikkelde om bacteriën on demand te doden wanneer ze niet langer nodig waren, maar dat zou niet genoeg zijn voor toepassingen in de echte wereld. De bacteriën moeten zichzelf automatisch vernietigen wanneer ze hun werkomgeving verlaten - in dit geval de lichamen van dieren - en omdat microben zo snel evolueren, moeten de wetenschappers er zeker van zijn dat de kill-switch-genen worden doorgegeven aan elke generatie.

Het team noemt de eerste kill-schakelaar de "Essentializer, " omdat het voorkomt dat de bacteriën een bepaald kenmerk uit hun genoom verwijderen door middel van evolutie. De Essentializer codeert voor een gen dat een toxine produceert dat de bacteriën doodt als de niveaus te hoog worden, maar bacteriofaagfactoren in een "geheugenelement " remmen constant de expressie van dat toxinegen. Dat betekent dat het geheugenelement essentieel is voor de overleving van de bacterie en als een willekeurige genetische mutatie het verwijdert, sterft het insect.

"Door de functie van het geheugenelement te koppelen aan die van de Essentializer, koppelen we in feite de overleving van E. coli- bacteriën aan de aanwezigheid van het geheugenelement, " zegt Finn Stirling, eerste auteur van de studie. "De verwijdering van het geheugenelement uit het bacteriegenoom, dat ook de twee toxine-onderdrukkende faagfactoren elimineert, triggert onmiddellijk de kill-schakelaar om grote hoeveelheden toxine te produceren die het anti-toxine overweldigen en de aangetaste bacteriën uit de populatie elimineren. Om dit geavanceerde systeem van checks and balances te creëren, hebben we er ook voor gezorgd dat de kill-switches zelf volledig intact bleven, wat een belangrijke voorwaarde is voor toekomstige toepassingen: we hebben vastgesteld dat ze nog steeds functioneel waren na ongeveer 140 celdelingen. "

De tweede kill-schakelaar, bijgenaamd "Cryodeath, " werkt op hetzelfde principe, maar in dit geval doodt het toxinemechanisme de bacteriën onmiddellijk als het ooit uit het lichaam komt. Dat gebeurt door de temperatuur de trigger te maken: het toxine-gen wordt alleen geactiveerd als de omgeving van de bacteriën van 37 ° C (98, 6 ° F) - een normale lichaamstemperatuur - naar 22 ° C (71, 6 ° F) daalt. In testen bij muizen introduceerde het team hun kill-switch-enabled E. coli en testte vervolgens de ontlasting van de dieren voor eventuele overlevende insecten. Slechts één bacterie in 100.000 bleek buiten het lichaam nog steeds levensvatbaar te zijn.

"Deze vooruitgang brengt ons aanzienlijk dichter bij real-world toepassingen van synthetisch geconstrueerde microben in het menselijk lichaam of de omgeving, " zegt Pamela Silver, hoofdonderzoeker van het onderzoek. "We werken nu aan combinaties van kill-switches die kunnen reageren op verschillende omgevingsstimuli om nog strakkere controle te bieden. "

Deze dodelijke schakelaars kunnen slechts een paar wapens zijn in een breder arsenaal tegen kunstmatige schurken. Een MIT-team ontwikkelde een "deadman 's switch " en een "passcode " die onmiddellijk een bacterie zou doden als een of meer chemicaliën ontbraken, terwijl Caltech-onderzoekers thermische "walkie talkies " gebruikten om instructies door te geven aan bacteriën in het lichaam over wanneer en waar een nuttige lading van een geneesmiddel vrijkomt en zichzelf vernietigen wanneer het werk is voltooid.

Het onderzoek van het team van Harvard werd gepubliceerd in het tijdschrift Molecular Cell .

Bron: Wyss Institute, Harvard

Een demonstratie van de Cryodeath-dodenschakelaar: de bovenste rij bacteriën groeit in vier verschillende verdunningen bij de beoogde 37ºC (98, 6º F), terwijl de onderste rij dezelfde verdunningen heeft bij lagere temperaturen, waardoor de wants wordt gedood (Credit: Wyss Institute at Harvard universiteit)