Syntetiska biologer anpassar mikroorganismernas genom med syntetiska genkretsar för att bryta ned förorenande plast, icke-invasivt diagnostisera och behandla infektioner i människans tarm, och generera kemikalier och näring på långdistansflygningar. Även om det visar mycket lovande i laboratoriet, dessa teknologier kräver kontroll och säkerhetsåtgärder som säkerställer att de konstruerade mikroorganismerna håller sina funktionella genkretsar intakta över många celldelningar, och att de finns i de specifika miljöer de är designade för.

Tidigare ansträngningar vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ledda av Core Faculty-medlemmarna Pamela Silver och James Collins har skapat "döda switchar" i bakterier som får dem att begå självmord i laboratorieförhållanden när de inte är efterlysta längre. "Vi behövde ta vårt tidigare arbete vidare och utveckla kill-switchar som är stabila på lång sikt och som också skulle vara användbara i verkliga applikationer, sa Silver, som också är Elliot T. och Onie H. Adams professor i biokemi och systembiologi vid Harvard Medical School (HMS). Hennes forskargrupp rapporterar nu in Molekylär cell två nya typer av kill-switchar som hanterar dessa utmaningar. De nya kill switcharna är självförsörjande och mycket stabila i bakteriepopulationer som utvecklas, och de håller i många generationer. De kan säkerställa att endast bakterier med intakta syntetiska genkretsar överlever, eller begränsa bakterier till en målmiljö vid 37°C (kroppstemperatur) samtidigt som de får dem att dö vid lägre temperaturer, som visas under bakteriell utträde från en mus-tarmkanal.

För den första typen av avbrytare, "Essentializer", Silvers team utnyttjade sitt tidigare konstruerade "minneselement" som gör att E. coli-bakterier kan komma ihåg ett möte med en specifik stimulans i sin miljö. Minneselementet, härrör från ett bakterieinfekterande virus som kallas bakteriofag lambda, antingen förblir tyst eller rapporterar förekomsten av en signal genom att permanent slå på en synlig reportertransgen som forskarna kan spåra. Signalen kan vara vilken molekyl som helst, till exempel, ett inflammatoriskt cytokin i tarmen eller ett toxin i miljön.

I deras senaste studie, teamet utarbetade ett sätt som säkerställer att minneselementet inte går förlorat från genomet under utvecklingen av bakteriepopulationen under mer än hundra generationer. Under tiden, genomen av enskilda bakterier förvärvar slumpmässiga mutationer, som också potentiellt kan förekomma i minneselementet, förstöra den i deras spår. Forskarna introducerade Essentializer som ett separat element på en annan plats i bakteriens arvsmassa. Så länge minneselementet förblir intakt, någon av de två bakteriofagfaktorerna som kontrollerar dess funktion hämmar också uttrycket av en toxingen som kodas av Essentializer. Dock, toxingenen förblir något "läckande", fortfarande producerar kvarvarande mängder toxin som kan döda cellen. För att hålla de kvarvarande toxinnivåerna i schack, forskarna inkluderade en andra gen i sin kill switch, som producerar låga nivåer av ett antitoxin som kan neutralisera små mängder av toxinet.

"Genom att knyta funktionen hos minneselementet till den hos Essentializer, vi kopplar i princip överlevnaden av E. coli-bakterier till närvaron av minneselementet. Avlägsnandet av minneselementet från bakteriegenomet, som också eliminerar de två toxinhämmande fagfaktorerna, utlöser omedelbart kill-omkopplaren för att producera stora mängder toxin som överväldigar antitoxinet och eliminerar de drabbade bakterierna från befolkningen, " sa förstaförfattaren Finn Stirling, en doktorand som arbetar med Silver. "För att skapa detta sofistikerade system av kontroller och balanser, vi såg också till att själva dödningsbrytarna förblev helt intakta, vilket är en viktig förutsättning för framtida ansökningar; vi verifierade att de fortfarande var funktionella efter cirka 140 celldelningar."

Den andra typen av dödsbrytare som teamet kallar "Cryodeath" kan begränsa bakterier till ett specifikt temperaturintervall genom att använda samma toxin/anti-toxinkombination men reglera det annorlunda. Medan igen, låga nivåer av antitoxinet producerades, toxingenen var kopplad till en regulatorisk sekvens som ger köldkänslighet. Att byta bakterier från 37°C, där de ska trivas, till 22°C, inducerade kraftigt uttryck av toxinet och dödade bakterierna. I nyskapande proof-of-concept-experiment, teamet visade användbarheten av Cryodeath in vivo. Efter att ha introducerat en E. coli-stam som innehåller kill switchen i möss, endast 1 av 100, 000 bakterier var livsdugliga i fekala prover. "Detta framsteg för oss betydligt närmare verkliga tillämpningar av syntetiskt framställda mikrober i människokroppen eller miljön. Vi arbetar nu mot kombinationer av kill-switchar som kan svara på olika miljöstimuli för att ge ännu strängare kontroll, sa Silver.

"Denna studie visar hur våra team utnyttjar syntetisk biologi inte bara för att omprogrammera mikrober för att skapa levande cellulära enheter som kan utföra användbara funktioner för medicin och miljösanering, men att göra detta på ett sätt som är säkert för alla, " sa Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, samt professor i bioteknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).