Новости

Dec 01, 2023

Оптогенетический инструментарий для света

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 14, номер статьи: 1034 (2023) Цитировать эту статью

4227 Доступов

19 Альтметрика

Подробности о метриках

Антибиотики являются ключевым механизмом контроля в синтетической биологии и микробиологии. Гены устойчивости используются для отбора нужных клеток и регулирования популяций бактерий, однако на сегодняшний день их использование в основном статично. Точный пространственно-временной контроль устойчивости к антибиотикам может обеспечить широкий спектр применений, требующих динамического контроля чувствительности и выживаемости. Здесь мы используем светоиндуцируемую рекомбиназу Cre для активации экспрессии генов лекарственной устойчивости в Escherichia coli. Мы демонстрируем светоактивируемую устойчивость к четырем антибиотикам: карбенициллину, канамицину, хлорамфениколу и тетрациклину. Клетки, подвергшиеся воздействию синего света, выживают в присутствии летальных концентраций антибиотиков, а клетки, хранящиеся в темноте, — нет. Чтобы оптимизировать индукцию устойчивости, мы варьируем промотор, сайт связывания рибосомы и силу варианта фермента, используя конструкции на основе хромосом и плазмид. Затем мы связываем индуцибельную устойчивость с экспрессией гетерологичного фермента жирных кислот с увеличением производства октановой кислоты. Эти инструменты оптогенетического сопротивления открывают путь к пространственно-временному контролю над выживанием клеток.

Гены устойчивости к антибиотикам широко используются в синтетической биологии. Их включают в генетические конструкции для обеспечения размножения плазмид. Гены устойчивости также играют важную роль в методах клонирования. Примеры включают хромосомные вставки, где экспрессия генов устойчивости может использоваться в качестве селективного маркера успешной интеграции1, или при создании библиотек транспозонов, где устойчивость к лекарствам используется в качестве промежуточного механизма отбора перед заменой на альтернативную последовательность2,3.

Хотя гены устойчивости к антибиотикам являются основным продуктом исследований в области синтетической биологии и микробной биотехнологии, существует мало методов динамического контроля их экспрессии. Способность контролировать устойчивость к лекарствам в пространстве и во времени может открыть новые возможности для исследований в области синтетической биологии. В качестве аналогии, когда Шет и др.4 разработали индуцируемый источник репликации – еще одну повсеместную особенность в конструкциях синтетической биологии – это положило начало новым областям исследований, включая хранение биологических данных5 и диагностику рибопереключателей целых клеток6. Пространственно-временной контроль над устойчивостью к лекарствам может обеспечить пространственное паттернирование живых биоматериалов7, отбор отдельных клеток из микрофлюидных систем8,9 и улучшить понимание роли, которую динамика играет в клинической устойчивости к антибиотикам10. Например, устойчивость часто распространяется через события горизонтального переноса генов11,12, которые трудно отслеживать и контролировать на уровне отдельных клеток. Новые системы контроля открывают потенциал для будущих исследований, позволяющих количественно определить, как различное пространственно-временное расположение клеток, приобретающих устойчивость, может привести к пролиферации или коллапсу на уровне популяции.

Оптогенетические методы являются мощным и широко используемым инструментом контроля экспрессии генов13. Доставка света к клеткам может регулироваться в пространстве и времени и может быть интегрирована непосредственно в вычислительные рабочие процессы14,15. Оптогенетические системы в бактериях использовались для контроля экспрессии генов в различных целях13,16, в том числе для управления метаболическим потоком17, регулирования микробиома кишечника18, контроля морфологии клеток19 и регулирования динамики совместных культур20. Использование света для контроля выживания клеток было в центре внимания микробной инженерии у разных видов. Например, оптогенетическая регуляция использовалась для контроля устойчивости к нурсеотрицину у Saccharomyces cerevisiae21 и устойчивости к блеомицину у Yarrowia lipolytica22. У Escherichia coli свет использовался для контроля устойчивости к антибиотикам с помощью индивидуально разработанных антибиотиков в фотоклетках23 или путем использования естественной фоточувствительности тетрациклина24. Однако, поскольку эти методы требуют тщательной инженерии белка или использования свойств, специфичных для одного лекарства, их нелегко обобщить на различные механизмы устойчивости. В альтернативном подходе использовался светоиндуцируемый промотор для обратимого контроля устойчивости к хлорамфениколу20,25. Такой метод можно было распространить на другие гены устойчивости, однако эксперименты ограничивались контролем фермента хлорамфениколацетилтрансферазы. Идеальная платформа для светоиндуцируемой устойчивости могла бы быть как обобщенной для различных генов устойчивости к антибиотикам, так и настраиваемой в зависимости от концентрации антибиотиков, чтобы гибко обеспечивать разнообразные исследования в области синтетической биологии и микробиологии.