Synthetische biologen passen het genoom van micro-organismen uit met synthetische gencircuits om vervuilende kunststoffen af ​​te breken, niet-invasieve diagnose en behandeling van infecties in de menselijke darm, en chemicaliën en voeding te genereren op langeafstandsvluchten. Hoewel veelbelovend in het laboratorium, deze technologieën vereisen controle- en veiligheidsmaatregelen die ervoor zorgen dat de gemanipuleerde micro-organismen hun functionele gencircuits intact houden over vele celdelingen, en dat ze zijn opgenomen in de specifieke omgevingen waarvoor ze zijn ontworpen.

Inspanningen uit het verleden bij het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard, geleid door leden van de kernfaculteit Pamela Silver en James Collins, hebben 'kill-switches' in bacteriën gecreëerd die ervoor zorgen dat ze zelfmoord plegen in laboratoriumomstandigheden wanneer ze niet meer gewenst zijn. "We moesten ons eerdere werk uitbreiden en kill-switches ontwikkelen die op de lange termijn stabiel zijn en ook nuttig zouden zijn in echte toepassingen, " zei Zilver, die ook de Elliot T. en Onie H. Adams hoogleraar biochemie en systeembiologie is aan de Harvard Medical School (HMS). Haar onderzoeksteam rapporteert nu in Moleculaire cel twee nieuwe soorten kill-schakelaars die deze uitdagingen aanpakken. De nieuwe kill-schakelaars zijn zelfvoorzienend en zeer stabiel in bacteriepopulaties die evolueren, en ze gaan vele generaties mee. Ze kunnen ervoor zorgen dat alleen bacteriën met intacte synthetische gencircuits overleven, of bacteriën beperken tot een doelomgeving bij 37°C (lichaamstemperatuur) terwijl ze worden aangezet om te sterven bij lagere temperaturen, zoals aangetoond tijdens bacteriële exit uit een muizendarmkanaal.

Voor het eerste type kill-schakelaar, de "Essentializer", Het team van Silver maakte gebruik van hun eerder ontwikkelde "geheugenelement" waarmee E. coli-bacteriën zich een ontmoeting met een specifieke stimulus in hun omgeving kunnen herinneren. Het geheugenelement, afgeleid van een bacterie-infecterend virus genaamd bacteriofaag lambda, ofwel zwijgt of meldt het optreden van een signaal door permanent een zichtbaar reporter-transgen aan te zetten dat de wetenschappers kunnen traceren. Het signaal kan elk molecuul zijn, bijvoorbeeld, een inflammatoir cytokine in de darm of een toxine in de omgeving.

In hun recente studie, het team bedacht een manier die ervoor zorgt dat het geheugenelement niet verloren gaat uit het genoom tijdens de evolutie van de bacteriepopulatie gedurende meer dan honderd generaties. Gedurende die tijd, de genomen van individuele bacteriën krijgen willekeurige mutaties, die mogelijk ook in het geheugenelement zou kunnen voorkomen, in hun kielzog vernietigen. De onderzoekers introduceerden de Essentializer als apart element op een andere plek in het genoom van de bacterie. Zolang het geheugenelement intact blijft, een van de twee bacteriofaagfactoren die de functie ervan controleren, remt ook de expressie van een toxinegen dat wordt gecodeerd door de Essentializer. Echter, het toxine-gen blijft enigszins "lek", nog steeds resterende hoeveelheden toxine produceren die de cel kunnen doden. Om die resterende toxineniveaus op afstand te houden, de onderzoekers namen een tweede gen op in hun kill-switch, die lage niveaus van een antitoxine produceert dat kleine hoeveelheden van het toxine kan neutraliseren.

"Door de functie van het geheugenelement te koppelen aan die van de Essentializer, we koppelen in feite de overleving van E. coli-bacteriën aan de aanwezigheid van het geheugenelement. De verwijdering van het geheugenelement uit het bacteriële genoom, die ook de twee toxine-onderdrukkende faagfactoren elimineert, activeert onmiddellijk de kill-schakelaar om grote hoeveelheden toxine te produceren die het antitoxine overweldigen en de aangetaste bacteriën uit de bevolking elimineren, " zei eerste auteur Finn Stirling, een afgestudeerde student die met Silver werkt. "Om dit geavanceerde systeem van checks and balances te creëren, we hebben er ook voor gezorgd dat de kill-schakelaars zelf volledig intact bleven, wat een belangrijke voorwaarde is voor toekomstige toepassingen; we hebben geverifieerd dat ze nog steeds functioneel waren na ongeveer 140 celdelingen."

De tweede soort kill-schakelaar die het team "Cryodeath" noemt, is in staat om bacteriën te beperken tot een specifiek temperatuurbereik met dezelfde combinatie van toxine en antitoxine, maar deze op een andere manier te reguleren. Terwijl nogmaals, lage niveaus van het antitoxine werden geproduceerd, het toxine-gen was gekoppeld aan een regulerende sequentie die koudegevoeligheid verleent. De bacteriën verschuiven van 37°C, waar ze zouden moeten gedijen, tot 22°C, krachtig geïnduceerde expressie van het toxine en doodde de bacteriën. In baanbrekende proof-of-concept-experimenten, het team toonde het nut van Cryodeath in vivo aan. Na het introduceren van een E. coli-stam met de kill-schakelaar in muizen, slechts 1 van de 100, 000 bacteriën was levensvatbaar in fecale monsters. "Deze vooruitgang brengt ons aanzienlijk dichter bij real-world toepassingen van synthetisch gemanipuleerde microben in het menselijk lichaam of de omgeving. We werken nu aan combinaties van kill-schakelaars die kunnen reageren op verschillende omgevingsstimuli om nog strakkere controle te bieden, ' zei Zilver.

"Deze studie laat zien hoe onze teams synthetische biologie gebruiken, niet alleen om microben te herprogrammeren om levende cellulaire apparaten te creëren die nuttige functies kunnen vervullen voor medicijnen en milieusanering, maar om dit te doen op een manier die voor iedereen veilig is, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).