В человеческом кишечнике живет более 1000 видов бактерий. Как такое большее сообщество может взаимодействовать между собой и как может влиять на здоровье человека – эта тема одна из самых обсуждаемых в научных кругах. Обычно для исследований бактерии специально выращивают в научных лабораториях – и это дает определенное преимущество. Бактерии можно «запрограммировать» таким образом, чтобы они могли больше, чем просто помогать нам переваривать пищу: например, записывать информацию о состоянии кишечника в режиме реального времени, сообщать нам о заболеваниях. Однако мало что известно о том, как разные штаммы взаимодействуют друг с другом, и не ясно, можно ли создать какие-либо сигнальные пути, которые позволяли бы передавать информацию между ними.

Прояснить картину попытались исследователи из Гарвардского университета, Гарвардской медицинской школы, а также женской больницы Бригхэма, – сообщает портал sciencedaily.com. Они разработали новую генетическую систему передачи сигналов, которая действует примерно так: молекулярный сигнал, отправленный бактериями сальмонеллы (Salmonella Typhimurium), получает и регистрирует бактерия кишечной палочки (Escherichia coli) в кишечнике мыши. Этот сигнал задает бактерии определенную функцию – так происходит коммуникация с определенным «запросом». Детали исследования даны в статье, опубликованной в ACS Synthetic Biology.

«Чтобы улучшить здоровье человека с помощью искусственных кишечных бактерий, нам нужно начать выяснять, как заставить бактерии общаться, – сказал Сухюн Ким (Suhyun Kim), ведущий автор статьи. – Искусственные пробиотики развиваются, усложняются – и мы хотим убедиться, что у нас есть необходимые средства для того, чтобы держать их под контролем».

В своей «пробе пера» команда ученых использовала способность, которая присуща некоторым штаммам бактерий, – так называемое «чувство кворума» (quorum sensing). Оно позволяет бактериям общаться между собой и регулировать свое поведение. Общаются бактерии с помощью молекулярных сигналов, которые они посылают друг другу и получают. Эти сигналы могут сообщать о размере бактериальной колонии и регулировать экспрессию многих генов, участвующих в групповых действиях. Ученые выбрали особый тип сигнальных молекул, известный как Ацил-гомосериновый лактон (acyl-HSL), чтобы проверить на нем, могут ли они изменить сигнальную систему бактерий с помощью генной инженерии.

Исследователи представили две новые генетические цепи в разные колонии штамма бактерий E.coli: цепь «отправителя» и цепь «ответчика». Первая содержит единственную копию гена LuxI, который «включается» молекулой ангидротетрациклина (ATЦ) и продуцирует сигнальную молекулу, чувствительную к кворуму. Вторая структурирована таким образом, что, когда сигнальная молекула связывается с ней, ген под названием Cro активируется для создания одноименного белка, который затем включает «элемент памяти» в цепи ответчика. Последний же экспрессирует два дополнительных гена: LacZ и другую копию Сro. Экспрессия LacZ приводит к тому, что бактерии становятся голубыми, если их располагают на специальном агаре, – так появляется визуальное подтверждение того, что сигнальная молекула получена. Дополнительная копия гена Cro формирует положительный цикл обратной связи, который удерживает «элемент памяти», гарантируя тем самым, что LacZ продолжает экспрессироваться в течение длительного периода времени.

Исследователи подтвердили, что эта система работает in vitro («в пробирке») в бактериях как E. coli, так и S. Typhimurium. Они наблюдали, что бактерии-ответчики приобрели голубой цвет, когда к сигнальным бактериям был добавлен АТЦ. Чтобы убедиться, что это будет работать in vivo («в жизни»), они ввели мышам бактерии E. coli – как «отправителей», так и «ответчиков». Затем они давали мышам АТЦ, добавляя его в питьевую воду в течение двух дней. Когда анализы фекалий мышей были проанализированы, у более половины грызунов проявились четкие признаки передачи сигнала 3OC6HSL.

Команда повторила эксперимент. Но на этот раз ученые использовали разные штаммы бактерий: в качестве отправителей выступили бактерии S. Typhimurium, а в роли получателей, ответчиков – бактерии E. coli. Так ученые хотели проверить, может ли сигнал передаваться между разными видами бактерий в кишечнике мыши. У всех грызунов проявились признаки передачи сигнала, подтверждающие, что сконструированные цепи позволяют создавать связь между различными видами бактерий в сложной среде кишечника млекопитающих.

Ученые надеются продолжить эту линию исследований, разработав больше видов бактерий, которые могли бы общаться между собой. Также они планируют обнаружить другие сигнальные молекулы, которые можно использовать для передачи информации.