Ученые превратили бактерию в записывающее устройство

Использование системы генной модификации CRISPR/Cas помогло «дополнить» бактериальные клетки механизмом записи состояния окружающей среды. Это позволит сделать из них живые датчики, следящие за состоянием экосистем и человека. О своей новой работе Харрис Ван (Harris Wang) и его коллеги из Колумбийского университета в Нью-Йорке рассказали в статье, опубликованной журналом Science.

Открытая лишь на рубеже XXI в. система CRISPR/Cas служит бактериям аналогом нашего приобретенного иммунитета: в библиотеке CRISPR-участков ДНК накапливается информация о вирусах, с которыми клетке доводилось сталкиваться, а Cas-белки работают с ней, быстро распознавая новую инфекцию. Использование элементов этой системы открыло совершенно новые перспективы для генетической модификации организмов и обеспечило ей в последние годы особенно быстрое развитие.

Однако если ГМ-инженеры используют способности CRISPR/Cas распознавать фрагменты ДНК, комплиментарные нужной ученым РНК-матрице, и разрезать их точно в нужном месте, на этот раз их интересовали «библиотечные» функции системы. «CRISPR/Cas – это естественное, биологическое устройство памяти, – говорит Харрис Ван. – С точки зрения инженерии, оно замечательно устроено, поскольку уже прошло через эволюцию, которая отшлифовала его способности хранить информацию».

Ученые модифицировали бактерии так, чтобы те реагировали на изменения какого-нибудь фактора среды – например, содержания в ней фруктозы или меди – синтезируя короткие фрагменты ДНК-плазмиды. Также и система CRISPR/Cas была модифицирована так, что появление большого числа таких плазмид фиксировалось в библиотеке CRISPR. Если, например, меди было недостаточно, то клетка синтезировала другие плазмиды, которые «сохранялись» в CRISPR вместо «сигнальных».

«Этот подход обеспечил стабильную запись в течение многих дней и точную реконструкцию показателей и времени за счет секвенирования последовательностей CRISPR», – пишут ученые в статье.

На следующем этапе Харрис Ван и его коллеги планируют испытать такую систему для мониторинга биомаркеров заболеваний кишечника хотя бы на протяжении нескольких дней. «Если эту бактерию проглотит пациент, то она сможет записывать все изменения, с которыми столкнется, проходя через весь пищеварительный тракт, – говорит ученый, – открывая прежде невиданные, недоступные данные».