I biologi sintetici stanno adattando i genomi dei microrganismi con circuiti genetici sintetici per abbattere le plastiche inquinanti, diagnosticare e trattare in modo non invasivo le infezioni nell'intestino umano, e generare sostanze chimiche e nutrimento sui voli spaziali a lungo raggio. Pur mostrando grandi promesse in laboratorio, queste tecnologie richiedono misure di controllo e sicurezza che assicurino che i microrganismi ingegnerizzati mantengano intatti i loro circuiti genici funzionali su molte divisioni cellulari, e che sono contenuti negli ambienti specifici per i quali sono progettati.

Gli sforzi passati al Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard, guidati dai membri della Core Faculty Pamela Silver e James Collins, hanno creato "kill switch" nei batteri che li inducono a suicidarsi in condizioni di laboratorio quando non sono più desiderati. "Avevamo bisogno di portare avanti il ​​nostro lavoro precedente e sviluppare kill switch che fossero stabili nel lungo periodo e sarebbero stati utili anche nelle applicazioni del mondo reale, " disse Argento, che è anche Elliot T. e Onie H. Adams Professor di Biochimica e Biologia dei Sistemi presso la Harvard Medical School (HMS). Il suo team di ricerca ora riporta in Cellula molecolare due nuovi tipi di kill switch che affrontano queste sfide. I nuovi kill switch sono autosufficienti e altamente stabili nelle popolazioni batteriche che si evolvono, e durano per molte generazioni. Possono garantire che solo i batteri con circuiti genetici sintetici intatti sopravvivano, o confinare i batteri in un ambiente bersaglio a 37 ° C (temperatura corporea) inducendoli a morire a temperature più basse, come dimostrato durante l'uscita batterica da un tratto intestinale di topo.

Per il primo tipo di kill switch, l'"essenzializzatrice", Il team di Silver ha sfruttato il loro "elemento di memoria" precedentemente progettato che consente ai batteri di E. coli di ricordare un incontro con uno stimolo specifico nel loro ambiente. L'elemento memoria, derivato da un virus che infetta i batteri chiamato batteriofago lambda, rimane in silenzio o segnala il verificarsi di un segnale attivando permanentemente un transgene reporter visibile che gli scienziati possono rintracciare. Il segnale può essere qualsiasi molecola, Per esempio, una citochina infiammatoria nell'intestino o una tossina nell'ambiente.

Nel loro recente studio, il team ha ideato un modo per garantire che l'elemento della memoria non venga perso dal genoma durante l'evoluzione della popolazione batterica per più di cento generazioni. Durante quel periodo, i genomi dei singoli batteri acquisiscono mutazioni casuali, che potrebbe anche potenzialmente verificarsi nell'elemento di memoria, distruggendolo al loro passaggio. I ricercatori hanno introdotto Essentializer come elemento separato in un'altra posizione nel genoma del batterio. Finché l'elemento di memoria rimane intatto, uno dei due fattori del batteriofago che controllano la sua funzione inibisce anche l'espressione di un gene della tossina codificato dall'essenzializzatore. Però, il gene della tossina rimane un po' "che perde", producendo ancora quantità residue di tossina che possono uccidere la cellula. Per tenere a bada quei livelli di tossine residue, i ricercatori hanno incluso un secondo gene nel loro kill switch, che produce bassi livelli di un'antitossina che può neutralizzare piccole quantità di tossina.

"Legando la funzione dell'elemento memoria a quella dell'Essentializer, fondamentalmente colleghiamo la sopravvivenza dei batteri E. coli alla presenza dell'elemento memoria. La rimozione dell'elemento memoria dal genoma batterico, che elimina anche i due fattori fagici che sopprimono le tossine, attiva immediatamente il kill switch per produrre elevate quantità di tossina che sopraffanno l'anti-tossina ed eliminano i batteri colpiti dalla popolazione, " ha detto il primo autore Finn Stirling, uno studente laureato che lavora con Silver. "Per creare questo sofisticato sistema di controlli e contrappesi, ci siamo anche assicurati che i kill switch stessi rimanessero completamente intatti, che è un importante prerequisito per future applicazioni; abbiamo verificato che erano ancora funzionanti dopo circa 140 divisioni cellulari".

Il secondo tipo di kill switch che il team chiama "Cryodeath" è in grado di confinare i batteri in un intervallo di temperatura specifico utilizzando la stessa combinazione tossina/antitossina ma regolandola in modo diverso. Mentre di nuovo, sono stati prodotti bassi livelli di anti-tossina, il gene della tossina era collegato a una sequenza regolatoria che conferisce sensibilità al freddo. Spostando i batteri da 37 ° C, dove dovrebbero prosperare, a 22°C, indotta potentemente l'espressione della tossina e ha ucciso i batteri. In esperimenti seminali di proof-of-concept, il team ha dimostrato l'utilità di Cryodeath in vivo. Dopo aver introdotto un ceppo di E. coli contenente il kill switch nei topi, solo 1 su 100, 000 batteri erano vitali nei campioni fecali. "Questo progresso ci avvicina notevolmente alle applicazioni del mondo reale di microbi ingegnerizzati sinteticamente nel corpo umano o nell'ambiente. Stiamo ora lavorando a combinazioni di kill switch in grado di rispondere a diversi stimoli ambientali per fornire un controllo ancora più stretto, " disse Argento.

"Questo studio mostra come i nostri team stiano sfruttando la biologia sintetica non solo per riprogrammare i microbi per creare dispositivi cellulari viventi in grado di svolgere funzioni utili per la medicina e il risanamento ambientale, ma per farlo in modo sicuro per tutti, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso HMS e Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).