Самый маленький «магнитофон» в мире сделали из бактерий

У бактерий имеются защитные механизмы, позволяющие им эффективно противостоять вирусам-бактериофагам. При проникновении вируса в бактериальную клетку короткие фрагменты вирусной ДНК (спейсеры) встраиваются в геном бактерии в район CRISPR-локусов. Эти локусы содержат также последовательности, кодирующие молекулярные «ножницы» (Cas-белки). При повторном проникновении в бактериальную клетку «знакомого» вируса локус CRISPR активируется. Спейсер играет роль «наводчика», связываясь с комплементарным ему участком вирусной ДНК, а белок Cas разрезает ее, обеспечивая уничтожение бактериофага.

Эта система работает настолько эффективно и специфично, что на ее основе была создана популярная методика редактирования генома CRISPR/Cas, которую сегодня используют в том числе и с целью генной терапии наследственных болезней. Но сейчас исследователей заинтересовало другое: строгая хронологичность «записи» информации в CRISPR локусы. Усовершенствовав это природное запоминающее устройство, ученые получили микроскопический «магнитофон», который можно нацеливать на запись определенных сигналов.

Система, названная TRACE (temporal recording in arrays by CRISPR expansion), работает следующим образом. Во-первых, в бактериальный геном помимо чужеродной ДНК могут встраиваться в качестве спейсеров и фрагменты собственного генетического материала бактерии, что связано с репликацией (удвоением) ДНК при размножении. То есть в геном бактерии через определенные промежутки времени постоянно добавляются своего рода «контрольные» участки - этот процесс можно сравнить с равномерным движением пленки в магнитофоне, а по длине фрагментов между сигналами-спейсерами можно отслеживать темп записи

Во-вторых, ученые создали два вида плазмид (кольцевых самовоспроизводящихся генетических элементов): первые из них начинали активно размножаться в бактериальной клетке при поступлении в нее одного определенного сигнала (например, молекулы конкретного соединения), а вторые несли гены, кодирующие белки Cas, которые активировались в присутствии ангидротетрациклина. Синтез Cas обеспечивал успешное встраивание в CRISPR-локусы большого количества спейсеров из размножающихся плазмид.

Затем ученые усложнили систему, задействовав одновременно несколько сигнальных молекул (медь, полисахарид трегалоза и др.) и, соответственно, разных плазмид, чтобы активировать «запись» в бактериальный геном специфических для каждого сигнала спейсеров. Система исправно проработала в течение нескольких дней. Секвенировав бактериальный геном и «прочитав» записи, ученые смогли определить, когда и какие спейсеры, соответствующие определенному химическому сигналу, встраивались в геном.

Таким образом был создан инструмент, позволяющий надежно и безопасно для биологической системы регистрировать изменяющиеся во времени внутриклеточные параметры, например, изменение концентрации в клетке тех или иных важных метаболитов. Эта система может быть полезна как для изучения динамических клеточных процессов, так и для практической медицины. Например, можно представить себе, что человек принял порцию бактерий, «нацеленных» на определенные химические сигналы, служащие признаками надвигающегося физического неблагополучия. Бактерии запишут эту информацию в свой геном, откуда ее можно извлечь и использовать для постановки диагноза и назначения лечения.

Фото: https://www.flickr.com

Подготовила Мария Перепечаева