Как бактерии помогут лечить рак – изящный «трюк» ученых

Бактерии – излюбленные микроорганизмы ученых, которых уже несколько столетий изучают «вдоль и поперек». Однако для молекулярных биологов, биотехнологов и генетиков бактерии стали и великолепным инструментом для продукции запрограммированных белков. Несколько лет назад ученые научились с помощью бактерий диагностировать рак. Следующая цель – лечение. Как это происходит?

Её Величество – Кишечная палочка

Кишечная палочка – самая изученная из всех бактерий. Она стала излюбленным инструментом для биологов, занимающихся клонированием генов. Именно кишечную палочку зачастую используют в качестве фабрики для продукции тех белков, гены которых вставляют в кишечную палочку. Как это происходит?

Все очень просто, по крайней мере, для ученых… Вам нужно получить большое количество инсулина? Не проблема. Берем гены, кодирующие пептидные цепи инсулина, вставляем их в кольцевые ДНК бактерии (плазмиды) и все – теперь наша бактерия, помимо продукции своих собственных белков, будет еще и продуцировать инсулин. Более того, ученые умеют вставлять чужеродные гены таким образом, что бактерии будет продуцировать нужный белок в избытке – существенно больше, чем свои собственные белки.

Это простая генно-инженерная технология, которую сегодня используют как для наработки большого количества нужного белка (того же инсулина), так и в научных целях – для изучения свойств определенных белков или генов. Методики вырезания нужных генов и их вставки в бактерии также достаточно просты. В лабораторных условиях вам всего лишь нужно смешать несколько реактивов, и ваша бактерия превращается в «мутанта», который начинает неистово размножаться (новые бактерии образуются также с вставленным геном) и продуцировать белок, который вам нужен.

Вы наверняка уже задались вопросом – и где же тут лечение рака? Немного терпения. Это первый блок информации, который необходим для понимания очень красивого и интересного эксперимента.

Клонирование генов

Чувство кворума бактерий

Люди относительно недавно научились принимать коллективные решения, в то время как бактерии занимаются этим уже миллионы лет. Ученые давно выяснили, что микроорганизмы могут «общаться» между собой. И для этого они используют специфические сигнальные вещества. Удивительно, но, когда число бактерий становится критическим в определенном ареале, то микроорганизмы ведут себя иначе. Они становятся более агрессивными либо начинают выполнять функции, которые ранее выполняли. Этот феномен был назван «чувством кворума».

Чувством кворума можно объяснить тот факт, что инфекционное заболевание в организме начинается только после достижение определенного критического количества патогенных или условно-патогенных бактерий. Когда бактерий становится много, им тесно, и они переходят в атаку – овладевают новыми территориями, действуя ка как настоящие захватчики.

Выяснилось, что «чувством кворума» кишечной палочки можно управлять. Например, можно запрограммировать бактерии таким образом, чтобы при достижении кворума они начали выделять в среду нужный нам белок.

Диагностика рака бактериями

Группа ученых под руководством Тала Данино решила запрограммировать бактериальные клетки таким образом, чтобы при достижении «кворума» они начали продуцировать светящийся белок. Эксперимент прошел удачно – колония бактерий росла, и в какой-то момент возникла «вспышка», которую ученые прозвали «Сверхновая» по аналогии с радикальным увеличением яркости звезд. То есть, ученые вставили в ДНК бактерии ген светящегося белка, и сделали это таким образом, чтобы этот самый белок стал продуцироваться только при достижении кворума бактерий.

Как бактерии использовали для диагностики рака

Рисунок выше – иллюстрация удивительного эксперимента, который был проведен в 2015 году группой ученых под руководством Тала Данино. Это история о том, как с помощью бактерий можно диагностировать рак и даже лечить его, но для начала немного занимательной информации.

После удачного эксперимента со вспышкой ученым пришла гениальная мысль. А что, если «чувство кворума» использовать для диагностики рака? Известно, что бактерии очень любят опухоли, ведь там они под надежной защитой от иммунной системы, которая не замечает раковых опухолей. Так вот, если бактерии в организме достигнут кворума, значит они нашли в нем «тепленькое местечко» - опухоль, в которой они размножаются, а иммунная система их напрочь не видит.

Ученые запрограммировали пробиотические бактерии таким образом, что при достижении «кворума» они начинают выделять белок, который окрашивают мочу в другой цвет. Этим белком является специальный «режущий фермент», который расщепляет одно из сложных веществ на молекулу красителя и остаточного продукта реакции. Затем краситель попадает в кровоток, где при достижении почек спокойно проникает в мочу.

Пробиотиками стали кормить лабораторных животных с раком печени. Как и ожидали ученые, бактерии «спрятались» в опухоли и стали там размножаться. А при достижении критического числа они начали продуцировать фермент, дающий краситель, окрашивающий мочу в другой цвет. Таким образом, с помощью такой вот нехитрой процедуры можно диагностировать рак печени – заболевание, которое сложно поддается диагностике на ранних этапах.

Однако ученые пошли дальше, и сейчас работают над экспериментом, который позволит использовать чувство кворума бактерий для лечения рака. Ведь бактерии можно запрограммировать таким образом, чтобы при достижении критической массы они стали выделять внутри опухоли токсический для раковых клеток препарат.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: