Новости

Микробы являются изысканными миниатюрными сенсорами, способными ощущать, интегрировать и динамически реагировать на широкий спектр условий окружающей среды.    Быстрое развитие инструментов синтетической биологии обещает сделать некоторые классически трудноразрешимые экологические проблемы легкодоступными. В данном обзоре мы рассматриваем давние проблемы в науках о Земле и окружающей среде, которые могут быть решены с помощью сконструированных микроорганизмов в качестве датчиков микронного масштаба (биосенсоров).Биосенсоры могут предложить новый взгляд на открытые вопросы, включая понимание поведения микробов в гетерогенных матрицах, таких как почвы, осадки и системы сточных вод, отслеживание круговорота криптических элементов в системе Земли и установление динамики взаимодействия микроб-микроб, микроб-растение и микроб-материал.    Биосенсоры - это генетически модифицированные микробы или отдельные биологические компоненты, которые чувствуют и сообщают о конкретных условиях окружающей среды, представляющих интерес. Биосенсоры являются альтернативой традиционным аналитическим инструментам для обнаружения и измерения сигналов окружающей среды, поскольку они могут преобразовывать сложные и/или дорогие для обнаружения сигналы в легко обнаруживаемые результаты. Они также могут сообщать о микробном "опыте" на микронном уровне в сложных экологических матрицах (Gage et al., 2008; Pini et al., 2017), предоставляя информацию, недоступную при использовании обычных аналитических подходов.    Биосенсоры хорошо сочетаются с более целостными подходами -омики (рис. 1), которые дают представление на системном уровне об организмах, биомакромолекулах и метаболитах в образце. Эта информация -омики может быть использована для реконструкции потенциала отобранной среды для осуществления экологического процесса, например, путем обнаружения присутствия генов, которые лежат в основе производства парниковых газов. Хотя инструменты -омики отлично подходят для создания экологических гипотез, они не всегда хорошо подходят для проверки отдельных причинно-следственных гипотез, таких как динамическая роль, которую играют конкретные организмы и биомолекулы в производстве парниковых газов. Напротив, биосенсоры предлагают редукционистский подход для проверки влияния отдельных клеток и биомолекул на экологические последствия. Биосенсоры могут давать дополнительную пространственную и временную информацию о деятельности конкретных членов микробного сообщества, о моделях окружающей среды, которые вызывают поведение клеток, и о влиянии местной среды на биодоступность биомолекул. Рисунок 1. Синтетическая и системная биология предоставляют взаимодополняющую информацию. Различные методы -омики могут получать нисходящие данные системной биологии об ансамбле организмов и биомолекул, присутствующих в образце окружающей среды. Напротив, биосенсоры, созданные с помощью синтетической биологии, предоставляют информацию высокого разрешения о реакциях, опосредованных отдельными членами сообщества, таких как их метаболическая активность, воспринимаемые концентрации молекул, зависящее от времени производство или потребление конкретных биомолекул и химический процессинг окружающей среды.    Биосенсоры применяются в экологических исследованиях, но сфера предыдущих применений была в основном сосредоточена на обнаружении загрязняющих веществ, часто с целью информирования о биоремедиации (Dangi et al., 2018). Эти биосенсоры в основном используют системы с одним входом и одним выходом, которые преобразуют обнаружение одного химического вещества в легко обнаруживаемый выход. Здесь мы описываем, как появляющиеся инструменты синтетической биологии могут улучшить характеристики традиционных биосенсоров и расширить их применение для изучения сложных вопросов в науках о Земле и окружающей среде, включая роль, которую играет связь клетка-клетка в координации поведения клеток в родной среде, влияние физической и химической гетерогенности на поведение и рост микроорганизмов, а также улавливание мимолетных реакций, таких как загадочный круговорот питательных веществ, который лежит в основе микробного синтропизма.    Синтетическая биология разрабатывает методы программирования предсказуемых клеточных функций и включает в себя значительный объем работ, направленных на расширение возможностей биосенсоров. Биосенсоры являются модульными (рис. 2А) и состоят из:  сенсорного модуля, который определяет одно или несколько условий окружающей среды в качестве входных сигналов, модуля обработки, который выполняет вычисления с использованием входных сигналов, и выходного модуля, который производит обнаруживаемый и количественно измеряемый сигнал.     Биосенсоры изображаются с помощью схем ДНК (рис. 2B), которые включают информацию о генах в каждом модуле, о том, как регулируется экспрессия этих генов и как взаимодействуют компоненты модуля. Зависимость между выходным и входным сигналами биосенсора обычно имеет сигмоидальную форму. Динамический диапазон датчика - это разница между пороговым уровнем входного сигнала окружающей среды, необходимым для активации, определяемым как предел обнаружения, и максимальным уровнем входного сигнала до насыщения. Рисунок 2. Модули биосенсора и их характеристики. (A) Сенсорный модуль (оранжевый) преобразует информацию об окружающей среде в биохимическую информацию, модуль обработки (серый) выполняет вычисления, используя биохимическую информацию, а модуль вывода (синий) преобразует обработанную информацию в обнаруженный сигнал. (B) Простой биосенсор с одним входом и одним выходом, проиллюстрированный с помощью языка синтетической биологии.    Недавний всплеск появления новых синтетических биологических модулей значительно расширил диапазон входных сигналов, которые могут быть обнаружены, сложность и возможности модулей обработки, а также разнообразие условий, в которых могут быть обнаружены выходные сигналы. В свою очередь, мы теперь можем создавать биосенсоры для изучения многих фундаментальных вопросов в области биогеохимии, экологии экосистем, геобиологии и экологической инженерии. Хотя несколько первых инструментов были использованы при исследовании образцов окружающей среды, эти инструменты не были широко доступны сообществу специалистов в области наук о Земле и окружающей среде.    Цель данного обзора - обсудить прямые последствия последних достижений в области синтетической биологии для создания биосенсоров, актуальных для трудноизучаемых экологических проблем. Целевой аудиторией данного обзора являются: (1) ученые-экологи и инженеры, которым будет полезно получить больше информации о широте современных возможностей биосенсоров, и (2) синтетические биологи, которые разрабатывают биосенсоры и получат пользу от понимания экологических потребностей. Мы обсудим проблемы в изучении систем Земли и окружающей среды, которые биосенсоры имеют уникальную возможность преодолеть.    Мы также подчеркиваем, как синтетическая биология может быть использована для создания индивидуальных биосенсоров для использования в сложных системах для решения этих сложных вопросов. Мы описываем состояние синтетической биологии и бурный рост биологических программ, позволяющих создавать живые и бесклеточные биосенсоры. Мы рассказываем о необходимых разработках в области синтетической биологии для развития приложений в науках о Земле и окружающей среде. Наконец, мы рассматриваем этические вопросы, связанные с использованием синтетической биологии для изучения окружающей среды.

Хронические инфекционные заболевания оказывают разрушительное воздействие на здоровье людей во всем мире.    Когда человек страдает от хронической вирусной инфекции, такой как ВИЧ или гепатит С, его В-клетки изменяются, в результате чего образуются низкокачественные антитела, недостаточно сильные, чтобы помочь организму избавиться от инфекции. Недавнее исследование на мышах, результаты которого опубликованы в журнале Nature Immunology, показало, что во время хронической вирусной инфекции белок под названием BMI-1 слишком рано экспрессируется в B-клетках и нарушает тонкий баланс экспрессии генов, что приводит к образованию антител, которые безуспешно пытаются очистить организм от вируса. Однако, если воздействовать на этот белок, можно изменить природу В-клеток, в результате чего будут вырабатываться антитела более высокого качества, ускоряющие очищение организма от вируса, что может стать новым терапевтическим путем.   В-клетки реагируют на инфекцию и со временем могут превратиться в плазматические клетки. Именно плазматические клетки вырабатывают и выделяют антитела. Во время инфекции некоторые активированные В-клетки могут быстро превратиться в плазматические клетки и начать вырабатывать антитела в первые несколько дней иммунного ответа организма. Хотя эти антитела полезны, их качество обычно ниже, и они не очищают организм от инфекции. Однако они дают иммунной системе некоторое время для того, чтобы другие В-клетки прошли "период обучения" и стали высококачественными В-клетками памяти и плазматическими клетками иммунитета.   В-клетки памяти долгое время выполняют роль часовых, стоящих на страже, чтобы в случае повторного заражения они смогли быстро превратиться в плазматические клетки и вырабатывать высококачественные антитела, не проходя повторного обучения, что помогает организму быстрее очиститься от инфекции и является причиной эффективности вакцин. Когда пациент не может очиститься от инфекции, иммунный ответ реагирует изменением баланса в пользу более быстрой выработки антител, без надлежащей подготовки, необходимой для нейтрализации вируса и формирования защитных В-клеток памяти и плазматических клеток.   Ведущий автор исследования Ким Гуд-Джакобсон говорит, что возможность модулировать аномальные реакции антител для ускорения очищения организма от вирусов и снижения заболеваемости при хронической инфекции имеет значительные преимущества для пациентов и уменьшения бремени болезни.   "До настоящего времени не удалось создать эффективные вакцины против нескольких хронических вирусных инфекций, которые могут вызывать долгосрочные проблемы со здоровьем у миллионов людей. Мы хотели выяснить, как нарушается реакция антител, чтобы начать определять мишени для регулирования их реакции для достижения лучших результатов", - рассказывает Гуд-Джакобсон.   "Мы обнаружили, что таргетинг эпигенетического модификатора BMI-1 у мышей улучшает гуморальный ответ на вирус хронического лимфоцитарного хориоменингита. Внутриклеточная делеция BMI-1 ускоряла клиренс вируса, уменьшала спленомегалию и восстанавливала архитектуру селезенки. Удаление BMI-1 сопровождалось улучшением качества антител и уменьшением количества антителосекретирующих клеток. В частности, дефицит BMI-1 вызывал образование антител с повышенной нейтрализующей способностью и усиленной антителозависимой эффекторной функцией".    Данное исследование определяет BMI-1 как важнейший иммунный модификатор, контролирующий антитело-опосредованный ответ при хронической инфекции. Иммунные клетки памяти и высококачественные антитела являются основой иммунной защиты, обеспечиваемой успешными вакцинами, поэтому работа над способами доставки лекарственных препаратов непосредственно в В-клетки для улучшения реакции антител без влияния на работу других иммунных клеток имеет решающее значение.