Ученые могут делать с микроорганизмами очень интересные вещи, в том числе создавать бактериальные клетки, способные чувствовать и сигнализировать о присутствии определенных соединений.
Такие микробные цельноклеточные биосенсоры могут использоваться в самых разных целях - от обнаружения токсинов в окружающей среде до сигнализации об инфекциях или заболеваниях человека. Благодаря достижениям синтетической биологии исследователи продолжают совершенствовать методику создания бактериальных биосенсоров и разрабатывать новые способы применения этих устройств для укрепления здоровья человека и планеты.
Что такое цельноклеточные биосенсоры?
Чтобы выжить, бактерии должны знать, что происходит вокруг них - "у них есть множество сенсоров, которые естественным образом являются частью их физиологии", - объясняет Кэролайн Аджо-Франклин, профессор биологических наук из Университета Райса, чья лаборатория синтетической биологии занимается разработкой микробных биосенсоров. "Однако эти сенсоры не только чувствуют, - продолжает она, - но и говорят бактериям, что нужно делать. Мы пытаемся использовать эти естественные реакции для того, чтобы бактерии сообщали нам, людям, что они видят [и] что чувствуют".
Хотя существует бесчисленное множество способов создания цельноклеточных микробных биосенсоров, основной принцип остается неизменным: бактериальная клетка программируется (обычно с помощью генной инженерии) на распознавание и генерирование измеримого сигнала в ответ на интересующую ее молекулу. При естественном ходе событий соединение связывается с рецептором на бактерии, запускается транскрипционный каскад и производство белков со специфическими физиологическими функциями (например, эффлюксных насосов). При создании биосенсоров ученые "используют эти реакции [с помощью преобразователя], поэтому вместо того, чтобы иметь клетки, которые просто производят [такие продукты, как] эффлюксные насосы, мы создаем в них реакцию, которую мы можем считывать", - поясняет Аджо-Франклин.
В зависимости от типа биосенсора и его назначения этот ответ может быть электрохимическим или включать экспрессию флуоресцентных или люминесцентных репортерных белков. Цельноклеточные биосенсоры часто проектируются таким образом, чтобы они "работали" только при наличии целевой молекулы. Такая возможность тонкой настройки специфичности и чувствительности делает бактериальные биосенсоры перспективными аналитическими инструментами.
Как используются бактериальные биосенсоры? Возможно, лучше задать вопрос: для чего не могут использоваться бактериальные биосенсоры? Перечень областей применения этих миниатюрных инструментов постоянно растет. В целом, однако, их можно разделить на две категории: экологические и биомедицинские.
Экологические применения
В области экологии цельноклеточные биосенсоры позволяют определять уровень питательных веществ и органических соединений в почве, что может быть использовано в методах управления ростом сельскохозяйственных культур. Они также могут сигнализировать о наличии и уровне потенциально опасных соединений. Например, группа Аджо-Франклин разработала биосенсор, способный обнаруживать тиосульфат - химическое вещество, широко используемое для очистки воды, которое в избыточных количествах может вызывать микробное цветение пресной воды.
Пример биосенсора, предназначенного для обнаружения мышьяка в воде. Клетки Bacillus subtilus экспрессируют GFP в ответ на увеличение концентрации мышьяка. Источник: Valenzuela-Garica L.I., et al./Microbiology Spectrum, 2023
Примечательно, что в большинстве биосенсоров для получения сигнала требуется транскрипция репортерного гена, что требует времени (до 30 минут) и больших затрат клеточной энергии. Стремясь оптимизировать этот процесс, исследователи применили посттрансляционный подход, создав синтетическую электронно-транспортную цепь в Escherichia coli. Электроны из тиосульфата проходят через эту синтетическую цепь и устремляются к электроду, генерируя электрический ток за 1 минуту или менее. С помощью этой технологии "у нас есть возможность быстро реагировать на непреднамеренный выброс [токсина в окружающую среду], чтобы смягчить экологические последствия", - утверждает Аджо-Франклин.
Биомедицинские применения
Помимо питательных веществ и токсичных соединений, бактериальные биосенсоры могут быть разработаны для реагирования на другие бактерии. Микроорганизмы выделяют всевозможные метаболиты, многие из которых могут служить целевыми аналитами. Например, микробные биосенсоры, обнаруживающие молекулы кворум сенсинга, выделяемые бактериями-патогенами, могут сигнализировать о присутствии болезнетворных микробов в воде или в образцах человека, помогая диагностировать инфекции. Более того, бактериальные биосенсоры могут дать полезную информацию о состоянии здоровья пациентов.
В недавнем исследовании был описан биосенсор, созданный на основе экологической бактерии Acinetobacter baylyi, который способен обнаруживать ДНК раковых клеток in vitro в мышиной модели.
Это исследование закладывает основу для применения микробных биосенсоров для обнаружения и диагностики рака. Ученые также создали проглатываемые биосенсоры, способные обнаруживать кровотечения или воспалительные биомаркеры в кишечнике для мониторинга состояния кишечника. Сигналы от этих внутренних микробных устройств могут передаваться на внешние устройства, например на сотовые телефоны, что иллюстрирует возможность использования биосенсоров в сочетании с существующими цифровыми технологиями для облегчения сбора и анализа данных.
Почему именно биосенсоры?
Уже существуют инструменты и технологии для решения таких задач, как мониторинг аналитов в почве или диагностика заболеваний. Так зачем вообще нужны биосенсоры? Аджо-Франклин отметила, что в большинстве случаев вполне достаточно стандартных приборов и тестов - нет необходимости использовать биосенсоры, например, для определения уровня pH или кислорода. Но когда речь идет о химической специфике, биосенсоры действительно выигрывают.
"Я считаю, что биология удивительна тем, что она может очень быстро отличить, например, агонист эстрогена от антагониста эстрогена", - сказала она, имея в виду использование ее лабораторией быстрого биосенсора для обнаружения антагонистов эстрогена, которые могут нарушить репродуктивную функцию морских позвоночных. Использование естественной специфичности микробной сигнализации позволяет ученым находить именно то, что они ищут в молекулярно запутанном мире природы.
Бактериальные биосенсоры также могут быть установлены в окружающей среде без физического нарушения местной экосистемы (например, изменение ландшафта для отбора проб почвы). Дополнительное преимущество: микробные биосенсоры относительно недороги в изготовлении и хранении, что делает их потенциально ценными в регионах с ограниченными ресурсами, где традиционные аналитические приборы или тесты могут быть недоступны - будь то удаленные регионы Земли или даже другие планеты.
С учетом того, как развивается эта область, мир, в котором бактериальные биосенсоры станут обычными аналитическими инструментами, уже не за горами. Продвигаясь к этому будущему, исследователи уделяют особое внимание нескольким ключевым направлениям развития.
Безопасное применение
Одним из наиболее важных вопросов, связанных с бактериальными биосенсорами, является вопрос их безопасного использования - микробные устройства не должны выбрасываться в окружающую среду без каких-либо ограничений. Аджо-Франклин подчеркнула, что ключевое значение имеет реализация уровней контроля, например, разработка тактики сдерживания микробов как физически (например, заключение их в капсулу или матрицу), так и биохимически (т.е. если они каким-то образом выйдут из-под физических ограничений, то перестанут реплицироваться или быть метаболически активными).
Также предпринимаются усилия по взаимодействию с общественностью и политиками, чтобы понять и устранить опасения, связанные с созданием и внедрением микробных биосенсоров. Ни у кого нет проблем с "канарейками в угольной шахте", - говорит Аджо-Франклин. "Но когда речь идет о генно-инженерной канарейке, это уже совсем другая история".
Биосенсоры, которые чувствуют... и реагируют
В идеале бактериальные биосенсоры будущего будут не только чувствовать, но и реагировать, т.е. датчик может не только определять наличие загрязняющего вещества, но и разлагать его. В конце концов, именно так поступают бактерии в естественных условиях - они чувствуют угрозу и справляются с ней. Аджо-Франклин сравнивает задачу соединения сенсоров с активными действиями при пожаре: если вы видите пожар, вы включаете пожарную сигнализацию и берете огнетушитель. Нельзя просто включить пожарную сигнализацию и стоять, сложа руки.
Один биосенсор - несколько аналитов
Но как быть, если теоретически каждый пожар не похож на другой и требует уникального огнетушителя? Химическая специфичность бактериальных биосенсоров - это прекрасно, но создать новый для каждого из тысяч соединений, которые ученые могут захотеть обнаружить, просто нереально. Поэтому в настоящее время намечается тенденция к разработке биосенсоров, определяющих молекулярные функции, а не отдельные химические вещества (например, поиск потенциальных эндокринных разрушителей в образце, а не только, например, BPA, одного из многих таких разрушителей).
Подводя итог, можно сказать, что многое еще предстоит сделать. Продвижение по всем этим направлениям требует междисциплинарного подхода, опирающегося на опыт всех - от инженеров-электронщиков до специалистов по государственной политике. "Мне кажется, что [такой подход] является одновременно и одной из проблем для всех нас [работающих в этой области], и одной из радостей", - делится Аджо-Франклин. "Я одновременно и растеряна, и смущена, и взволнована".
