Los biólogos sintéticos de la Universidad de Rice han pirateado la detección bacteriana con un sistema plug-and-play que podría usarse para mezclar y combinar decenas de miles de entradas sensoriales y salidas genéticas. La tecnología tiene implicaciones de amplio alcance para el diagnóstico médico, el estudio de patógenos mortales, monitoreo ambiental y más.

En un proyecto de casi seis años, El bioingeniero de Rice Jeff Tabor y sus colegas llevaron a cabo miles de experimentos para demostrar que podían recablear sistemáticamente sistemas de dos componentes. Los circuitos genéticos que utilizan las bacterias para sentir su entorno y escuchar a sus vecinos. Su trabajo aparece en un estudio publicado esta semana en Biología química de la naturaleza .

El grupo de Tabor volvió a cablear las salidas de sensores bacterianos conocidos y también movió sensores entre bacterias relacionadas lejanamente. Más importante, demostraron que podían identificar la función de un sensor desconocido.

"Basado en análisis genómicos, sabemos que hay al menos 25, 000 sistemas de dos componentes en bacterias, "dijo Tabor, profesor asociado de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y científico principal del proyecto. "Sin embargo, para aproximadamente el 99% de ellos, no tenemos idea de lo que sienten o qué genes activan en respuesta ".

La importancia de una nueva herramienta que desbloquea sistemas de dos componentes se ve subrayada por el descubrimiento de 2018 de dos cepas de un mortal, Bacteria multirresistente que utiliza un sistema desconocido de dos componentes para evadir la colistina. un antibiótico de último recurso. Pero Tabor dijo que los posibles usos de la herramienta se extienden más allá de la medicina.

"Este es el mayor tesoro de biosensores de la naturaleza, ", dijo." Basado en la exquisita especificidad y sensibilidad de algunos de los sistemas de dos componentes que entendemos, se cree ampliamente que los sensores bacterianos superarán cualquier cosa que los humanos puedan hacer con la mejor tecnología actual ".

Tabor dijo que eso se debe a que los sensores bacterianos se han perfeccionado y refinado a lo largo de miles de millones de años de evolución.

"Las bacterias no tienen nada tan sofisticado como los ojos, orejas o nariz, pero viajan entre entornos muy diferentes, como una hoja, un intestino o el suelo, y su supervivencia depende de su capacidad para percibir esos cambios y adaptarse a ellos. " él dijo.

"Los sistemas de dos componentes son la forma en que lo hacen, ", Dijo Tabor." Estos son los sistemas que utilizan para "ver" la luz, "oler" los productos químicos que los rodean y "escuchar" las últimas noticias de la comunidad, que viene en forma de tweets bioquímicos transmitidos por sus vecinos ".

Las bacterias son la forma de vida más abundante, y los sistemas de dos componentes han aparecido en prácticamente todos los genomas bacterianos que se han secuenciado. La mayoría de las especies tienen alrededor de dos docenas de sensores y algunas tienen varios cientos.

Hay más de media docena de categorías amplias de sistemas de dos componentes, pero todos funcionan de manera similar. Tienen un componente sensor de quinasa (SK) que "escucha" una señal del mundo exterior, y al "escucharlo", inicia un proceso llamado fosforilación. Eso activa el segundo componente, un regulador de respuesta (RR) que actúa sobre un gen específico, encendiéndolo o apagándolo como un interruptor o hacia arriba o hacia abajo como un dial.

Si bien el código genético de los componentes se detecta fácilmente en un escaneo genómico, el doble misterio hace que sea casi imposible para los biólogos determinar qué hace un sistema de dos componentes.

"Si no conoce la señal que detecta y no conoce el gen sobre el que actúa, es muy difícil, ", Dijo Tabor." Conocemos la entrada o la salida de aproximadamente el 1% de los sistemas de dos componentes, y conocemos tanto las entradas como las salidas de menos aún ".

Los científicos saben que las SK son típicamente proteínas transmembrana, con un dominio sensorial, una especie de antena bioquímica, que atraviesa la membrana externa en forma de saco de la bacteria. Cada dominio de sensor está diseñado para adherirse a una molécula de señal específica, o ligando. Cada SK tiene su propio ligando objetivo, y la unión con el ligando es lo que inicia la reacción en cadena que activa un gen, apagado, arriba o abajo.

En tono rimbombante, aunque cada sistema de dos componentes está optimizado para un ligando específico, sus componentes SK y RR funcionan de manera similar. Con eso en mente, Tabor y el coautor principal del estudio, Sebastian Schmidl, decidieron a finales de 2013 intentar intercambiar el dominio de unión al ADN, la parte del regulador de respuesta que reconoce el ADN y activa el gen objetivo de la vía.

"Si miras los estudios estructurales previos, el dominio de unión al ADN a menudo parece una carga que acaba de hacer autostop desde el dominio de fosforilación, "Tabor dijo." Por eso, pensamos que los dominios de unión al ADN podrían funcionar como módulos intercambiables, o bloques de Lego ".

Para probar la idea, Schmidl, luego un becario postdoctoral DFG en el grupo de Tabor, recableó los componentes de dos sensores de luz que el equipo de Tabor había desarrollado previamente, uno que respondió a la luz roja y otro que respondió al verde. Schmidl volvió a cablear la entrada del sensor de luz roja a la salida del sensor de luz verde en 39 ubicaciones diferentes entre los dominios de fosforilación y de unión al ADN. Para ver si alguno de los 39 empalmes funcionó, los estimuló con luz roja y buscó una respuesta de luz verde.

"Diez de ellos trabajaron en el primer intento, y hubo un óptimo, una ubicación específica donde el empalme realmente parecía funcionar bien, "Dijo Tabor.

De hecho, la prueba funcionó tan bien que él y Schmidl pensaron que simplemente habían tenido suerte y unieron dos caminos inusualmente bien emparejados. Entonces repitieron la prueba, primero uniendo cuatro dominios de unión al ADN adicionales al mismo regulador de respuesta y luego uniendo cinco dominios de unión al ADN a la misma vía del sensor. La mayoría de esos recableados también funcionaron, lo que indica que el enfoque era mucho más modular que cualquier enfoque publicado anteriormente.

Schmidl, ahora es profesor asistente de biología en el campus RELLIS del Sistema Universitario Texas A&M en Bryan, dejó Rice en 2016. El coautor principal Felix Ekness, un doctorado estudiante en Rice's Systems, Programa de Biología Física y Sintética (SSPB), luego tomó el proyecto, Diseñar docenas de nuevas quimeras y realizar cientos de experimentos más para mostrar que el método podría usarse para mezclar y combinar dominios de unión al ADN entre diferentes especies de bacterias y entre diferentes familias de sistemas de dos componentes.

Tabor sabía que una revista de alto nivel requeriría una demostración de cómo se podría usar la tecnología, y descubrir la función de un sistema de dos componentes totalmente nuevo fue la prueba definitiva. Para esto, becaria postdoctoral Kristina Daeffler y SSPB Ph.D. La estudiante Kathryn Brink trasplantó siete sistemas desconocidos diferentes de dos componentes de la bacteria Shewanella oneidensis a E. coli. Diseñaron una nueva cepa de E. coli para cada sensor desconocido, y utilizaron el intercambio de dominios de unión al ADN para vincular todas sus actividades a la expresión de la proteína verde fluorescente.

Si bien no conocían la entrada de ninguno de los siete, sabían que S. oneidensis fue descubierto en un lago al norte del estado de Nueva York. Basado en eso, eligieron 117 sustancias químicas diferentes que S. oneidensis podría beneficiarse de la detección. Debido a que cada químico tenía que probarse uno a uno con cada mutante y un grupo de control, Brink tuvo que realizar y replicar casi 1, 000 experimentos separados. El esfuerzo valió la pena cuando descubrió que uno de los sensores detectaba cambios en el pH.

Una búsqueda genómica del sensor recientemente identificado subrayó la importancia de tener una herramienta para desbloquear sistemas de dos componentes:el sensor de pH apareció en varias bacterias, incluido el patógeno que causa la peste bubónica.

"Esto destaca cómo desbloquear el mecanismo de los sistemas de dos componentes podría ayudarnos a comprender mejor y, con suerte, también a tratar mejor la enfermedad, "Dijo Tabor.

¿Dónde está llevando Tabor la tecnología a continuación?

Lo está usando para extraer los genomas de las bacterias intestinales humanas en busca de nuevos sensores de enfermedades, como la enfermedad inflamatoria intestinal y el cáncer. con el objetivo de diseñar una nueva generación de probióticos inteligentes que puedan diagnosticar y tratar estas enfermedades.