Бактерий отредактировали по месту жительства

Самый известный сейчас генетический редактор – это CRISPR/Cas: молекулярная машина режет клеточную ДНК в определённом месте, чтобы клетка включила свои ДНК-ремонтные механизмы и заделала дефект. Биотехнологи вместе с CRISPR/Cas вносят в клетку шаблон, в соответствии с которым она должна залатать дыру – с помощь шаблона можно внести в участок ДНК какую угодно мутацию. При этом у метода есть масса разновидностей. В некоторых случаях ДНК вообще не режут: часть молекул от CRISPR/Cas соединяют, например, с ферментом, который превращает генетические буквы А (азотистое основание аденин) в буквы G (основание гуанин). Молекулярная химера за счёт тех частей, которые ей достались от CRISPR/Cas, ищет на ДНК именно тот участок, который нужно модифицировать, а прикреплённый к ней фермент делает всё остальное – изменяет последовательность гена, вносит мутации.

Именно такой модифицированный редактор использовали сотрудники биотехнологической компании Eligo Bioscience, чтобы отредактировать определённый ген в бактериях кишечной палочки. Однако смысл эксперимента был не столько в самом редактировании, сколько в том, что его выполнили прямо в кишечнике живых мышей. Это не первая попытка такого рода, но до сих пор в подобных исследованиях генетический редактор срабатывал с умеренной эффективностью. Редактирующую машину нужно доставить в кишечник, где она должна найти нужные бактериальные клетки. Для доставки выбирают обычно вирус-бактериофаг: его белковую оболочку используют, чтобы доставить ДНК с информацией о генетическом редакторе прямо в бактерию, и бактерия сама синтезирует все части редактирующей машины, которые её же саму и изменят.

В клеточных культурах бактериофаги с CRISPR/Cas работали хорошо. Проблемы начинались, когда таким же способом пытались истреблять микробов по месту жительства, то есть в кишечнике. Дело в том, что вирус взаимодействует с бактерий через определённые поверхностные молекулы-рецепторы, а такие рецепторы могут отличаться у бактерий в лабораторной культуре и в естественной среде.

На сей раз исследователям удалось эту проблему преодолеть: в своей статье в Nature они описывают модификации специализирующегося на кишечной палочке бактериофага лямбда, позволяющего ему заражать клетки с разными рецепторами. Кроме того, ту ДНК, которую вирус вводил в бактерию, невозможно было копировать: для этого нужны были определённые регуляторные последовательности, которых у бактерии под рукой не было. То есть генетический редактор-модификатор, записанный во вносимой ДНК, работал только в той клетке, куда ДНК попала – потому что у неё не могло появиться копии, которая могла бы отойти дочерней клетке. Генетический редактор был ограничен одним поколением бактерий.

Ген, чью ДНК модифицировали, кодировал фермент β-лактамазу. С его помощью бактерии обезвреживают некоторые виды антибиотиков. Через восемь часов после того, как ДНК генетического редактора в вирусной оболочке скормили мышам, более 90% кишечных палочек в их пищеварительной системе оказались с модифицированным β-лактамазными геном (в некоторых случаях доля бактерий с модификацией доходили до 99,7%). В другом эксперименте нужно было изменить бактериальный ген, чей белок играет определённую роль в аутоиммунных заболеваниях – этот ген к концу третьей недели оказался модифицированным у 70% бактерий.

Понятно, что такой биотехнологический инструмент можно использовать как лекарство или как усилитель лекарств, нацеленное строго против определённых бактерий. Если мы хотим модифицировать только кишечных палочек, которые стали устойчивы к антибиотикам, то мы только их и модифицируем, в то время как, к примеру, бифидобактерии останутся нетронутыми. (А кишечных палочек, лишённых устойчивости, можно потом истребить обычным антибиотиком, который прежде против них не действовал.) Чтобы подействовать на других бактерий, в качестве упаковки можно взять белковые оболочки от других фагов, кроме того, эти оболочки можно опять же модифицировать, настраивая их на других микробов. Сами исследователи, кстати, успешно перенастроили свой редактор на бактерий Klebsiella pneumoniae, вызывающих пневмонию, только их модифицировали не в животных, а в клеточной культуре.