Молчащие гены являются "золотоносной жилой" в поиске новых антибиотиков для замедления продолжающегося кризиса резистентности.
Биологи из Университета Райса разработали новые "переключатели" для управления "молчащими" генами в бактериях. Их стратегия может ускорить непрерывный поиск новых антибиотиков. Исследователи адаптировали инструменты CRISPR для управления экспрессией генов в Streptomyces, которые в природе экспрессируются только при необходимости. До сих пор эти гены были труднодоступны для синтетических биологов.
"Когда в лабораториях начали изучать геномы этих организмов, которые, как известно, производят один или несколько антибиотиков, мы поняли, что механизмы, отвечающие за производство антибиотиков и других интересных молекул, гораздо более многочисленны, чем считалось ранее", - говорит Джеймс Чаппелл, доцент кафедры биологических наук, чья лаборатория изучает бактерии и способы их инженерии. "Согласно современным оценкам, каждый штамм Streptomyces способен производить в среднем до 40 различных молекул, включая антибиотики", - сказал он.
Работа, проведенная Чаппеллом и коллегами, может позволить лабораториям быстро создавать библиотеки возможных антибиотиков для тестирования на патогенах. Важно отметить, что, хотя CRISPR-Cas9 уже использовался для создания платформы для активации генов в таких организмах, как Escherichia coli, это первый случай его применения к Streptomyces. Исследование опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.
"Бактерии, такие как Streptomyces, эволюционировали, чтобы производить антибиотики только тогда, когда им это необходимо, в естественной среде, например, в почве", - объясняет Чаппелл. "Когда мы выращиваем их в лаборатории, это искусственная среда, сильно отличающаяся от естественной, поэтому множество генов заглушаются. Они являются своего рода генетической темной материей", - говорит он. "Мы не можем выделить химические вещества, которые они экспрессируют, чтобы провести функциональный скрининг".
Новая стратегия лаборатории избавляет от трудоемкой задачи подвергать S. venezuelae, являющуюся производителем распространенного антибиотика хлорамфеникола, воздействию потенциальных триггеров для экспрессии генов. "Технология добавляет синтетические регуляторы в клетку, чтобы искусственно стимулировать или подавлять экспрессию этих механизмов", - говорит Чаппелл. "Теперь нам нужен только один белок и один маленький кусочек РНК, и мы можем отправиться куда угодно, чтобы напрямую подавить или активировать определенную мишень", - добавляет он.
По его словам, появление технологии CRISPR, которая адаптирует механизмы иммунной системы бактерий для поиска определенных генов вдоль нити ДНК, упростило доступ к ранее скрытым кластерам генов. "Стрептомицеты - это род бактерий, включающий до 500 видов, и каждый вид может иметь от 20 до 40 таких кластеров генов, способных производить антибиотики или другие интересные молекулы", - отметил Чаппелл. "Поэтому, когда мы найдем способ расширить масштабы нашей технологии, она может стать невероятно мощной".
Чаппелл говорит, что это довольно просто - сконструировать CRISPR так, чтобы он связывался с различными последовательностями ДНК. "Мы используем это для контроля экспрессии генов", - сказал он. "Если мы хотим сделать это в различных организмах и по различным направлениям, то теоретически это должно быть возможно. Так что эта работа закладывает основу для нового типа подхода".
Авторы рассказали, что они работают над флуоресцентной техникой для наблюдения за активацией кластеров в режиме реального времени. "Основная проблема заключается в том, что наблюдение за глубиной активации кластера зависит от очистки молекул из экстрактов, которые мы генерируем", - говорит Чаппелл. "Это малопроизводительный процесс, требующий много работы. Мы хотим разработать репортер, чтобы наблюдать флуоресцентный сигнал при активации того или иного механизма".
Исследователи отметили, что процесс может быть использован для производства молекул противогрибковых и противораковых средств или для сельского хозяйства. "Мы фокусируемся на антибиотиках, потому что в какой-то момент истории мы заметили, что они убивают микробы", - говорит Чаппелл. "Но это не обязательно то, для чего они эволюционировали, потому что они также часто используются в качестве коммуникационных сигналов между клетками. Так что существует множество потенциальных применений".
По его словам, исследование демонстрирует новый важный подход к активации "молчащих" генов. "Мы хотим, чтобы следующие работы были более масштабными", - сказал он. "Мы показали, что это работает на одном "молчащем" гене. Теперь давайте сделаем это на 40 генах у этого одного вида, а затем сделаем это на тысячах микробов. Сила CRISPR-Cas9 в том, что он действительно масштабируем для этого", - утверждает Чаппелл.
