Virus Design Workbench - Доклад за иновациите
Бактериофагите атакуват бактериална клетка. Wikimedia Commons/Д-р Греъм Биърдс
Бактериофагите (накратко фаги) са вируси, които специално атакуват и убиват бактериите. Те са много многобройни по природа. Тъй като те са специализирани само за един вид бактерии, изследователите се надяват да могат да използват фаги за специално лечение на определени бактериални заболявания. Хранителната индустрия например вече използва тези вируси, за да унищожи патогените в храната по естествен начин.
Оптимизирането на вирусите генетично и по този начин приспособяването им за специфични цели все още е предизвикателство и отнема много време. Особено трудно е модифицирането на фаги за борба с така наречените грам-положителни бактерии като стафилококи.
Целенасочена модификация на фаги
Сега обаче може да изгрее нова ера в използването на бактериофаги, защото екип от изследователи, ръководени от Мартин Лоснер, професор по хранителна микробиология в ETH Zurich, току-що представи нова технологична платформа в списание PNAS. Това позволява на учените да генетично модифицират фаги по целеви начин, да ги снабдят с всякакви допълнителни функции и накрая да ги оживят в бактериална „сурогатна майка“ - клетка Листерия без клетъчна стена.
С новата фагова работна среда, вируси като този могат да бъдат създадени много бързо и „кутията с инструменти“ е силно модулна: учените могат да го използват, за да създадат почти всеки бактериофаг за различни цели и с множество различни функции.
„По-рано беше почти невъзможно да се промени генома на бактериофага“, казва Лоснер. Освен това методите бяха изключително неефективни. Например, ген е бил интегриран в съществуващия геном само във фракция от фагите. Следователно изолирането на променения фаг често се превръща в търсене на игла в купа сено.
„В миналото трябваше да търсим тези фаги с желаните свойства от милиони фаги. Сега можем да генерираме всички видове вируси от същия тип още от самото начало, да ги тестваме в рамките на полезен период и ако е необходимо, да ги променим отново “, подчертава Loessner.
Планирайте вируси на компютъра
Колегата на Лоснер Самюел Килчър проправи пътя за пробив. Специалистът по молекулярна вирусология използва методи от синтетичната биология, за да планира генома на бактериофаг върху чертожната дъска и да го събере от ДНК фрагменти в епруветка. Нови и допълнителни функционалности, като ензими за разграждане на обвивката на бактериалните клетки, бяха включени в гена на фага. Kilcher може също така да премахне гени, които дават на фага нежелани свойства, като интеграция в бактериалния геном или производството на клетъчни токсини.
За да върне фаговите частици към живот от изкуствената ДНК, геномът е въведен в сферични, без клетъчни стени, но жизнеспособни форми на бактерията Listeria (L-образна Listeria). След това тези бактериални клетки използват генетичния план, за да произведат всички компоненти на желания фаг и да гарантират, че вирусите са правилно сглобени.
Изследователите също така откриха, че сферичните листерии не само произвеждат свои специфични фаги, но и такива, които могат да заразят други бактерии. Обикновено хостът издава само специфичните си вируси. Следователно L-образната листерия е подходяща като почти универсален бактериофажен инкубатор.
Ако след това листерията се спука, бактериофагите се освобождават и могат да бъдат изолирани и размножени за използване в терапия или диагностика.
Подходящи са само вирулентни фаги
„Ключово изискване за използването на ефективни синтетични бактериофаги е техният геном да не може да се интегрира в този на гостоприемника“, подчертава Килчър. Ако това се случи, вирусът вече не представлява заплаха за бактерията. С помощта на новия метод обаче изследователите успяха лесно да препрограмират такива интегративни фаги, така че да загубят способността да се интегрират и по този начин да станат отново интересни за антибактериални приложения.
Двамата изследователи едва ли се притесняват от възможната съпротива във фаги. И дори да имаше, като например бактерия, която променя повърхностната си структура, за да предотврати скачването на вируса, новата технология може бързо да разработи подходящ фаг, към който бактерията все още не е развила никаква резистентност.
Изследователите също смятат, че рискът от нежелани изпускания е нисък. Тъй като бактериофагите, както естествени, така и синтетични, са силно специфични за гостоприемника, те не могат да оцелеят дълго без своя гостоприемник. Тази висока специфичност също така предотвратява възможността бактериофагите да преминат към нова бактерия гостоприемник. „Приспособяването към повърхностната структура на друг домакин би отнело много време сред природата“, казва Лоснер.
Практическото приложение се приближава
Със своята технология екипът на Loessner направи голяма стъпка към използването на синтетични бактериофаги за терапия, диагностика или в хранителната индустрия. По този начин изследователите също така преодоляват ограниченията, свързани с използването на естествени фаги. „Нашата кутия с инструменти може да помогне да се използва потенциалът на фагите“, казва Лоснер. Изследователите са заявили патент за своята технология. Сега се надяват да намерят лицензополучатели, които да произвеждат фаги за терапии и диагностика.
Kilcher S, Studer P, Muessner C, Klumpp J, Loessner MJ. Рестартиране на различни родове на направени по поръчка синтетични генетични бактериофаги в L-форма на бактерии. PNAS 2018 януари, 115 (3) 567-572. doi: 10.1073/pnas.1714658115