Élő sejtek mint digitális technológiai alkatrészek
Elektronikusan kontrollálhatjuk egyes baktériumok génjeit, majd a baktériumokat különböző eszközök alkatrészeként használhatjuk fel, amik az emberi szervezetbe juttatva pl. antibiotikumot öntenek a gyulladásos gócra, írja a Nature Communications tanulmánya.
A University of Maryland kutatói kidolgoztak egy módszert, amivel elektromos áram segítségével kapcsolhatók ki-be bakteriális gének (Tanya Tschirhart és munkatársai: Electronic control of gene expression and cell behaviour in Escherichia coli through redox signalling). Az eredmény azért érdekes, írja a tanulmányt ismertető New Scientist-cikkben Sam Wong, mert a szintetikus biológusok már egy ideje nagy erőfeszítéssel kutatják a módszereket, hogy hogyan lehetne mérnöki módszerekkel átalakított élőlényeket elektronikai eszközökhöz kapcsolni.
Mint a Nature Communications-ben megjelent tanulmány utolsó szerzője, William Bentley elmondja, az igények szerint átalakított mikrobák különböző képességei – pl. érzékelik a környezetük különböző paramétereit és biológiai molekulák termelésére képesek – különösen értékessé teszik őket a test belsejében dolgozó eszközök alkatrészeként való felhasználásra. Ha például fel akarjuk fedezni, hogy mi folyik a gasztrointesztinális traktusban vagy a szájüregben, és képesek vagyunk a szervezet belsejét elektronikus eszközhöz kapcsolni, értelmezhetjük az eszköz által gyűjtött információt és képesek lehetünk beavatkozni a folyamatokba. Így például az eszköz arra is használhatja a beleépített organizmust, hogy érzékelje a kórokozó baktériumok jelenlétét a szervezetben, majd a detektálás helyén rögtön antibiotikumot szekretáljon.
Az elektromos stimulációra reagáló bakteriális gének megtalálása érdekében Bentley csapata az úgynevezett redox molekulákhoz fordult. Ezek a biológiai molekulák minden sejtben megtalálhatók, és képesek az elektronok felvételére és továbbadására (elektronfelvétellel redukált, elektronleadással oxidált állapotba kerülnek). Ezen felül a kutatók olyan, az E. coli baktériumban természetesen előforduló genetikai komponenseket is felhasználtak, amelyek az oxidatív stresszre reagálnak (az oxidatív stressz akkor következik be, amikor a sejtben túl sok molekula van oxidált, azaz veszélyesen reaktív állapotban).
Az elektronikus input alkalmazása érdekében a kutatók elektródot merítettek az E. coli baktériumokat tartalmazó oldatba; amikor az elektród pozitív töltésű, bizonyos redox molekulák oxidált állapotba kerültek, és beindították azt a genetikai mechanizmust, aminek révén a sejt reagált az oxidatív stresszre. A következő lépésben a baktériumok úgy módosíthatók, hogy az oxidált állapot hatására bármelyik, a kutatók által kiválasztott génjük bekapcsolódjon, majd ha az elektróda negatív töltésre vált, a redox molekulák redukálódva újra kikapcsolják a kérdéses géneket.
Ezen elv felhasználásával a kutatók az elektromos impulzusok segítségével képesek voltak az E. coli baktériumokat pl. úszásra vagy fluoreszkálásra bírni, továbbá arra is, hogy rávegyék a baktériumokat olyan jelátvivő molekulák felszabadítására, amelyek aztán egyéb baktériumokat késztettek fluoreszkálásra, azaz olyan baktériumokat hoztak létre, amelyek elektromos ingerlés hatására más baktériumok viselkedését voltak képesek módosítani.
Az eljárás során viszonylag kismértékű genetikai beavatkozásra volt szükség, mondja Bentley, aki azt is hozzáteszi, hogy munkájuk egyik célja kideríteni, hogyan lehet úgy minimális mértékben módosítani a sejteket, hogy közben kontrollált módon befolyásoljuk a tevékenységüket.
A módszer gyakorlati alkalmazásának egyik kézenfekvő módja a génmódosított baktériumok bioszenzorokban való felhasználása, amik bizonyos kemikáliák érzékelésére képesek. Így pl. előállíthatók olyan baktériumok, amelyek képesek meghatározott fertőzések azonosítására, majd a fertőzés jelzésére fluoreszkálás segítségével.
Egy New Scientistnek nyilatkozó szintetikus biológus (Richard Kitney, Imperial College London) szerint ezt a felhasználási módot igen hamar ki lehet fejleszteni, mindössze 1-2 évre van hozzá szükség. A távlatokban pedig, fűzi hozzá Bentley, a programozott baktériumok arra is képesek lehetnek, hogy tablettaformájú eszközökbe építve a lenyelés után kémiai adatokat gyűjtsenek a szervezet belsejében, majd a megszerzett információ függvényében ugyanott különböző gyógyszereket állítsanak elő.
