Микробы с «кнопкой выключения». Ученые предложили новый способ остановить ГМО-организмы после побега из лаборатории
Ученые создали систему, которая необратимо выключает жизненно важные гены и не дает генетически модифицированным клеткам выжить вне лаборатории.
Генно-модифицированные микробы давно работают на заводах и в лабораториях, помогают производить биотопливо, биоразлагаемые материалы, химические вещества и лекарственные соединения. Но у такой технологии есть слабое место: живой организм может выйти за пределы контролируемой среды и начать размножаться там, где инженеры уже не управляют процессом. Исследователи предложили новый способ биологической «страховки», который не просто ограничивает жизнь микроба, а необратимо отключает гены, без которых клетка не выживает.
В работе, опубликованной в журнале Nucleic Acids Research, ученые использовали систему редактирования оснований на базе CRISPR-dCas9. В отличие от классических CRISPR-инструментов, такая система не разрезает ДНК на две цепи, а вносит точечные изменения в отдельные нуклеотиды. Команда направила редактор на старт-кодоны жизненно важных генов. После такого вмешательства клетка теряет способность запускать нужные белки, а значит, больше не может поддерживать собственную жизнь.
Авторы сравнивают принцип работы с отключением «кнопок питания», которые нужны микробу для выживания. Разница с прежними подходами принципиальная. Многие системы биоконтеймента зависят от условий среды, специальных питательных веществ или постоянной работы токсин-антитоксинных механизмов. Другие решения используют разрезание ДНК, включая CRISPR-Cas9, но двойные разрывы могут повреждать геном, создавать стресс для клетки и повышать риск случайных мутаций. Иногда редкие мутантные клетки переживают защиту и продолжают размножаться.
Новая схема пытается закрыть именно такую лазейку. Поскольку редактор оснований не режет ДНК напрямую, клетка получает меньше повреждений, а риск побочных мутаций снижается. Исследователи также использовали одновременное редактирование нескольких жизненно важных генов. Такой подход резко уменьшил вероятность «побега», когда отдельная клетка случайно сохраняет жизнеспособность несмотря на защитный механизм.
Отдельный плюс технологии связан с необратимостью. CRISPRi-системы могут временно подавлять работу генов, но подавление можно отменить. В новом варианте короткой активации оказалось достаточно, чтобы навсегда лишить клетки способности выживать. Защитный механизм не требует постоянного включения и поэтому выглядит более надежным для промышленных и медицинских сценариев.
Авторы считают, что такая платформа может стать основой для следующего поколения биоконтеймента. В промышленной биотехнологии генетически сконструированные микроорганизмы производят биотопливо, биоразлагаемые пластики и дорогие химические соединения. В биомедицине живые терапевтические микробы и клеточные препараты потенциально могут работать прямо внутри организма человека. Чем ближе такие системы подходят к реальному применению, тем жестче становится вопрос безопасности.
Профессор Сан У Со заявил, что исследование предлагает новую стратегию точного и необратимого контроля выживания микробных клеток с помощью редактирования оснований. По словам ученого, у технологии есть потенциал стать платформой биобезопасности нового поколения.
Первый автор работы Сон Вон Чо продолжает изучать микробные системы контроля на основе синтетической биологии и новые методы инженерии генома. Соавтор ТэХён Ким работает в области синтетической биологии и инженерии микробных систем, а также планирует развивать исследования в сфере биотехнологических платформ нового поколения.