«В биотехнологиях мы долгое время полагались на выбор антибиотиков и химикатов для уничтожения клеток, которые мы не хотим расти», – сказала инженер-химик Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Мишель О’Мэлли. "Если у нас есть генно-инженерная клетка и мы хотим, чтобы только эта клетка росла среди популяции клеток, мы даем ей ген устойчивости к антибиотикам. Введение антибиотика убьет все клетки, которые не были созданы с помощью генной инженерии, и позволит выжить только тем, которые мы хотим – генетически модифицированным организмам [ГМО].
Однако многие организмы разработали способы обхода наших антибиотиков, и они представляют собой растущую проблему как в мире биотехнологий, так и в окружающей среде. Проблема устойчивости к антибиотикам – серьезная проблема нашего времени, важность которой только возрастает."
Кроме того, ГМО связаны с проблемой сдерживания. «Если бы этот ГМО вышел из лаборатории и успешно воспроизвелся в окружающей среде, вы не смогли бы предсказать, какие черты он привнесет в естественный биологический мир», – пояснил О’Мэлли. "С появлением синтетической биологии возрастает риск того, что вещи, которые мы разрабатываем в лаборатории, могут ускользнуть и распространиться в экосистемах, которым они не принадлежат."
Теперь исследование, проведенное в лаборатории О’Мэлли и опубликованное в журнале Nature Communications, описывает простой метод решения как чрезмерного использования антибиотиков, так и сдерживания ГМО.
Это требует замены антибиотиков в лаборатории на фтор.
О’Мэлли описал фторид как «довольно безвредное химическое вещество, которое широко распространено в мире, в том числе в грунтовых водах.«Но, отмечает она, он также токсичен для микроорганизмов, которые развили ген, кодирующий экспортер фтора, который защищает клетки, удаляя фторид, встречающийся в естественной среде.
В документе описывается процесс, разработанный Джастином Ю, бывшим аспирантом-исследователем в лаборатории О’Мэлли. Он использует общий метод, называемый гомологичной рекомбинацией, чтобы сделать нефункциональным ген в ГМО, который кодирует экспортер фтора, поэтому клетка больше не может его производить.
Такая клетка будет по-прежнему процветать в лаборатории, где обычно используется дистиллированная вода, не содержащая фторидов, но если она попадет в естественную среду, она умрет, как только встретит фторид, что предотвратит размножение.
До этого исследования Ю сотрудничал с соавтором статьи Сюзанной Сеппала, научным сотрудником проекта в лаборатории О’Мэлли, в попытке использовать дрожжи для характеристики белков транспорта фтора, которые Сеппала идентифицировал у анаэробных грибов.
Первым шагом в этом проекте для Ю было удаление нативных переносчиков фторида дрожжей.
Вскоре после создания нокаутного штамма дрожжей Ю посетил конференцию по синтетической биологии, где он услышал доклад о новом механизме биосдерживания, предназначенном для предотвращения генетически модифицированного E. бактерии кишечной палочки из побегов из лаборатории. Во время этого выступления он вспоминал: «Я понял, что созданный мною нокаутный штамм дрожжей потенциально может действовать как эффективная платформа для биосдерживания дрожжей."
«По сути, Джастин создал серию инструкций ДНК, которые вы можете дать клеткам, которые позволят им выжить в условиях наличия фтора», – сказал О’Мэлли. «Обычно, если бы я хотел выбрать генетически модифицированную клетку в лаборатории, я бы сделал плазмиду [генетическая структура в клетке, обычно небольшая кольцевая цепь ДНК, которая может реплицироваться независимо от хромосом] с антибиотиком. маркер устойчивости, чтобы он выжил, если рядом был антибиотик. Джастин заменяет это геном этих экспортеров фтора."
Метод, который О’Мэлли охарактеризовал как «низко висящий плод – Джастин провел все эти исследования примерно за месяц», также устраняет простое экономическое ограничение отбора клеток под действием антибиотиков в биотехнологических лабораториях. Помимо стимулирования роста устойчивых штаммов бактерий, продолжила она, «с биотехнологической точки зрения, процесс создания устойчивых к антибиотикам организмов также чертовски дорогостоящий.
Если вы собирались запустить брожение объемом десять тысяч литров, и добавление некоторых антибиотиков может стоить вам тысячи долларов за ферментацию, это сумасшедшие деньги."Примечательно, что использование фторида в низкой концентрации будет стоить всего около четырех центов за литр.
Ясно, сказал Сеппала, «мы бы предпочли использовать такое химическое вещество, как фторид, которое относительно безвредно, в большом количестве и дешево, и может использоваться для того же самого, что достигается с помощью обычных антибиотиков."
Ю объяснил, что роль переносчиков фтора была выяснена совсем недавно, в 2013 году, когда этот проект начался. Новые подходы к реализации биосдерживания сосредоточены на использовании биологических частей, чуждых интересующему организму, смещая акцент на то, что Ю описал как «блестящие, но сложные системы», и, возможно, отвлекая внимание от этого более простого подхода.