Но теперь группа исследователей из Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете и Гарвардской медицинской школы (HMS) под руководством Джорджа Черча, доктора философии, разработала новый метод создания широкого спектра биосенсоров для обнаружения и сигнализировать практически о любой желаемой молекуле, используя живые эукариотические клетки. Черч, который является членом факультета Висса и профессором генетики Роберта Уинтропа в HMS, и его команда опубликовали результаты своих исследований в журнале eLife.Чтобы проверить свой новый метод, команда экспериментально сконструировала клетки дрожжей, растений и млекопитающих, которые содержат настраиваемые лиганд-связывающие домены (LBD), которые являются рецепторами для гормонов и других типов малых молекул. Эти индивидуальные LBD настроены так, что они связывают и «обнаруживают» только конкретную интересующую молекулу, такую как человеческий гормон прогестерон или лекарственный препарат дигоксин.
Как только LBD связывается с молекулой-мишенью, вторичный «сигнальный» компонент, слитый с LBD, может быть запрограммирован на излучение флуоресценции или регулирование экспрессии гена. Компоненты этого биосенсора — LBD в сочетании с флуоресцентным или генетическим сигналом — деградируют и исчезают, если целевая молекула не идентифицирована.Поразительно, но команда успешно сконструировала растения арабидопсиса, которые действуют как многоклеточные ботанические биосенсоры, содержащие специальный LBD для распознавания лекарственного препарата дигоксин и люминесцентный сигнальный белок, излучающий свет при «обнаружении» дигоксина. Эти биосенсоры Arabidopsis испускали флуоресценцию, когда растения подвергались воздействию дигоксина, доказывая, что целые организмы могут визуально светиться, чтобы сигнализировать об обнаружении произвольной молекулы.
«Как и многие эукариотические организмы, растения полны разнообразных гормонов, которые затрудняют распознавание и реакцию на конкретный интересующий гормон», — сказал Дэн Манделл, доктор философии, соавтор исследования и научный сотрудник по развитию технологий Института Висса. и научный сотрудник с докторской степенью в HMS. «Но, используя нашу стратегию, растения арабидопсиса, которые мы разработали, показали 50-кратное увеличение люминесценции в присутствии дигоксина — очень легко визуализируемое — что может вдохновить на захватывающие будущие применения с деревьями или растениями, которые обнаруживают вредные загрязнители или токсины окружающей среды и дают погаснет видимый индикатор ".«Биосенсоры, которые могут рассказать вам об окружающей их среде, чрезвычайно полезны для широкого спектра применений», — сказал Черч. «Вы можете представить, если бы они использовались в сельскохозяйственных растениях, они могли бы рассказать вам о состоянии почвы, наличии токсинов или вредителей, которые их беспокоят».Команда не только продемонстрировала свою новую методологию на растениях, но и описала ее эффективность в превращении дрожжевых клеток и клеток млекопитающих в точные биосенсоры, которые в один прекрасный день можно будет использовать в отраслях, которые зависят от продуктивности дрожжей или животноводства, или для использования в медицинских целях. датчики. В целом, этот метод чрезвычайно настраиваемый и портативный, что означает, что его можно использовать на широком спектре организмов для обнаружения широкого круга небольших молекул.
Дополнительной возможностью новой методологии биосенсинга является возможность подключать ее к регуляторам генов вместо флуоресцентных белков. Такие биосенсоры могут точно регулировать транскрипцию генов, чтобы повысить выход малых молекул в организмах, используемых для промышленного биопродукции. Таким образом, дрожжи, например, могут быть сконструированы так, чтобы производить желаемую молекулу из возобновляемого сырья, и, кроме того, запрограммированы на самоопределение наиболее эффективных индивидуумов в популяции производителей, чтобы выживали только самые производящие дрожжи.
Таким образом, популяция организмов, используемых для биопродукции фармацевтических препаратов или других ценных молекул, может быстро саморазвиваться и стать чрезвычайно эффективными и продуктивными. Команда фактически использовала эту стратегию для развития дрожжей, которые могут вырабатывать гормон прогестерон с выходом в несколько раз выше.Биосенсоры также могут иметь прямое влияние на здоровье человека, учитывая, что команда также использовала свой метод для жесткой регуляции механизма редактирования генов CRISPR-Cas9 внутри живых клеток человека, что является шагом вперед к предотвращению непреднамеренных изменений генома во время генной терапии.«Эти новые возможности перепрограммирования, разработанные церковной командой, открывают совершенно новую сферу, где обычные организмы могут быть преобразованы в необычные живые клеточные устройства, которые могут воспринимать определенные сигналы и вызывать соответствующие реакции, будь то увеличение производства биотоплива или выделение терапевтического средства, когда клетки — чувствует воспаление или инфекцию.
Это еще одна замечательная возможность, которая, несомненно, продвинет вперед всю область синтетической биологии », — сказал директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, доктор медицинских наук, профессор биологии сосудов в HMS Джуды Фолкмана и Программа сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессор биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона.