I biologi sintetici della Rice University hanno hackerato il rilevamento batterico con un sistema plug-and-play che potrebbe essere utilizzato per combinare decine di migliaia di input sensoriali e output genetici. La tecnologia ha implicazioni ad ampio raggio per la diagnostica medica, lo studio dei patogeni mortali, monitoraggio ambientale e altro ancora.

In un progetto durato quasi sei anni, Il bioingegnere del riso Jeff Tabor e colleghi hanno condotto migliaia di esperimenti per dimostrare che potevano sistematicamente ricablare sistemi a due componenti, i circuiti genetici che i batteri usano per percepire l'ambiente circostante e ascoltare i loro vicini. Il loro lavoro appare in uno studio pubblicato questa settimana in Natura chimica biologia .

Il gruppo di Tabor ha ricablato le uscite di sensori batterici noti e ha anche spostato i sensori tra batteri lontanamente imparentati. Più importante, hanno dimostrato di poter identificare la funzione di un sensore sconosciuto.

"Sulla base di analisi genomiche, sappiamo che ce ne sono almeno 25, 000 sistemi a due componenti nei batteri, " disse Tabor, professore associato di bioingegneria alla Brown School of Engineering di Rice e scienziato capo del progetto. "Però, per circa il 99% di loro, non abbiamo idea di cosa percepiscano o di quali geni attivino in risposta".

L'importanza di un nuovo strumento che sblocca i sistemi a due componenti è sottolineata dalla scoperta nel 2018 di due ceppi di un micidiale, batterio multiresistente che utilizza un sistema a due componenti sconosciuto per eludere la colistina, un antibiotico di ultima istanza. Ma Tabor ha affermato che i possibili usi dello strumento vanno oltre la medicina.

"Questo è il più grande tesoro naturale di biosensori, " ha detto. "Sulla base della squisita specificità e sensibilità di alcuni dei sistemi a due componenti che comprendiamo, è opinione diffusa che i sensori batterici supereranno qualsiasi cosa gli esseri umani possano realizzare con la migliore tecnologia odierna".

Tabor ha detto che è perché i sensori batterici sono stati affinati e perfezionati attraverso miliardi di anni di evoluzione.

"I batteri non hanno niente di così sofisticato come gli occhi, orecchie o naso, ma viaggiano tra ambienti molto diversi - come una foglia o un intestino o il suolo - e la loro sopravvivenza dipende dalla loro capacità di percepire e adattarsi a quei cambiamenti, " Egli ha detto.

"I sistemi a due componenti sono il modo in cui lo fanno, " disse Tabor. "Questi sono i sistemi che usano per "vedere" la luce, "annusare" le sostanze chimiche intorno a loro e "ascoltare" le ultime notizie dalla comunità, che si presenta sotto forma di tweet biochimici trasmessi dai loro vicini".

I batteri sono la forma di vita più abbondante, e i sistemi a due componenti sono apparsi praticamente in ogni genoma batterico che è stato sequenziato. La maggior parte delle specie ha circa due dozzine di sensori e alcune ne hanno diverse centinaia.

Esistono più di mezza dozzina di grandi categorie di sistemi a due componenti, ma tutti funzionano in modo simile. Hanno un componente sensore chinasi (SK) che "ascolta" un segnale dal mondo esterno, e dopo averlo "ascoltato", avvia un processo chiamato fosforilazione. Che attiva il secondo componente, un regolatore di risposta (RR) che agisce su un gene specifico, accendendolo o spegnendolo come un interruttore o alzandolo o abbassandolo come un quadrante.

Mentre il codice genetico per i componenti è facilmente individuabile su una scansione genomica, il doppio mistero rende quasi impossibile per i biologi determinare cosa fa un sistema a due componenti.

"Se non conosci il segnale che rileva e non conosci il gene su cui agisce, è molto difficile, " ha detto Tabor. "Conosciamo o l'input o l'output di circa l'1% dei sistemi a due componenti, e conosciamo sia gli input che gli output per meno ancora."

Gli scienziati sanno che le SK sono tipicamente proteine ​​transmembrana, con un dominio di rilevamento, una specie di antenna biochimica, che spunta attraverso la membrana esterna simile a una sacca batterica. Ogni dominio del sensore è progettato per agganciarsi a una specifica molecola segnale, o ligando. Ogni SK ha il proprio ligando target, e il legame con il ligando è ciò che avvia la reazione a catena che attiva un gene, spento, su o giù.

È importante sottolineare che sebbene ogni sistema a due componenti sia ottimizzato per un ligando specifico, i loro componenti SK e RR funzionano in modo simile. Con quello in mente, Tabor e l'autore principale dello studio Sebastian Schmidl hanno deciso alla fine del 2013 di provare a scambiare il dominio di legame del DNA, la parte del regolatore della risposta che riconosce il DNA e attiva il gene bersaglio della via.

"Se guardi a precedenti studi strutturali, il dominio che lega il DNA spesso sembra un carico che sta solo facendo l'autostop dal dominio di fosforilazione, " disse Tabor. "Per questo motivo, pensavamo che i domini che legano il DNA potessero funzionare come moduli intercambiabili, o blocchi di Lego."

Per testare l'idea, Schmidl, poi un DFG Postdoctoral Fellow nel gruppo di Tabor, ricablato i componenti di due sensori di luce che il team di Tabor aveva precedentemente sviluppato, uno che ha risposto alla luce rossa e l'altro che ha risposto al verde. Schmidl ha ricablato l'ingresso del sensore a luce rossa all'uscita del sensore a luce verde in 39 posizioni diverse tra i domini di fosforilazione e di legame al DNA. Per vedere se qualcuna delle 39 giunzioni ha funzionato, li ha stimolati con la luce rossa e ha cercato una risposta di luce verde.

"Dieci di loro hanno lavorato al primo tentativo, e c'era un ottimo, una posizione specifica in cui la giunzione sembrava funzionare davvero bene, " disse Tabor.

Infatti, il test ha funzionato così bene che lui e Schmidl hanno pensato di essere stati semplicemente fortunati e di aver unito due percorsi insolitamente ben abbinati. Così hanno ripetuto il test, prima attaccando quattro domini di legame al DNA aggiuntivi allo stesso regolatore di risposta e poi attaccando cinque domini di legame al DNA allo stesso percorso del sensore. Anche la maggior parte di quei ricablaggi ha funzionato, indicando che l'approccio era molto più modulare di qualsiasi approccio precedentemente pubblicato.

Schmidl, ora assistente professore di biologia presso il campus RELLIS del Texas A&M University System a Bryan, ha lasciato Rice nel 2016. Il co-autore Felix Ekness, un dottorato di ricerca studente di Rice's Systems, Programma di biologia sintetica e fisica (SSPB), poi ha ripreso il progetto, progettando dozzine di nuove chimere e conducendo centinaia di esperimenti per dimostrare che il metodo potrebbe essere utilizzato per mescolare e abbinare i domini di legame del DNA tra diverse specie di batteri e tra diverse famiglie di sistemi a due componenti.

Tabor sapeva che un giornale di alto livello avrebbe richiesto una dimostrazione di come la tecnologia potesse essere utilizzata, e scoprire la funzione di un sistema a due componenti totalmente nuovo è stata la prova definitiva. Per questo, borsista post-dottorato Kristina Daeffler e SSPB Ph.D. la studentessa Kathryn Brink ha trapiantato sette diversi sistemi a due componenti sconosciuti dal batterio Shewanella oneidensis in E. coli. Hanno progettato un nuovo ceppo di E. coli per ogni sensore sconosciuto, e hanno utilizzato lo scambio di domini di legame al DNA per collegare tutte le loro attività all'espressione della proteina fluorescente verde.

Anche se non conoscevano l'input per nessuno dei sette, sapevano che S. oneidensis è stato scoperto in un lago nello stato di New York. Sulla base di ciò, hanno scelto 117 diverse sostanze chimiche che S. oneidensis potrebbe trarre vantaggio dal rilevamento. Poiché ogni sostanza chimica doveva essere testata uno contro uno con ciascun mutante e un gruppo di controllo, Brink ha dovuto eseguire e replicare quasi 1, 000 esperimenti separati. Lo sforzo è stato ripagato quando ha scoperto che uno dei sensori stava rilevando cambiamenti nel pH.

Una ricerca genomica per il sensore appena identificato ha sottolineato l'importanza di disporre di uno strumento per sbloccare i sistemi a due componenti:il sensore di pH è stato rilevato in diversi batteri, compreso l'agente patogeno che causa la peste bubbonica.

"Ciò evidenzia come sbloccare il meccanismo dei sistemi a due componenti potrebbe aiutarci a capire meglio e, si spera, anche a trattare meglio le malattie, " disse Tabor.

Dove porterà Tabor la prossima tecnologia?

Lo sta usando per estrarre i genomi dei batteri intestinali umani per nuovi sensori di malattie tra cui malattie infiammatorie intestinali e cancro, con l'obiettivo di progettare una nuova generazione di probiotici intelligenti in grado di diagnosticare e curare queste malattie.