Арктические гены превратили инфекцию в вакцину

Арктические гены

Все живые организмы имеют некоторый схожий набор генов, без которого их существование в принципе невозможно. Например, все бактерии объединены жизненно важным комплексом из 100 генов. Любой ген из «великолепной сотни» можно найти практически в каждом штамме. Правда, это не значит, что все микроорганизмы обладают схожими характеристиками. Просто у одних представителей какой-либо ген работает, а у других нет. Соответственно, и внешние признаки, и физиологические особенности либо проявляются, либо нет.

Расстановка приоритетов в генетическом материале происходит прежде всего под гнетом эволюционного отбора. Например, арктические бактерии адаптировались к жизни в холодных условиях. Соответственно, в их организме реализуется та информация, которая помогает выживать при низких температурах. Вся остальная, бесполезная для данных условий наследственная информация заблокирована.

Исследователи из канадского Университета Виктории (University of Victoria) и американского Национального института здоровья (National Institute of Health) модифицировали патогенную бактерию, отобрав у нее устойчивость к высоким температурам. Результаты исследований и технология генетических манипуляций описана в статье Essential genes from Arctic bacteria used to construct stable, temperature-sensitive bacterial vaccines в PNAS.

Смена приоритетов

Для эксперимента биологи использовали бактерию Francisella novicida, которая проявляет патогенные свойства по отношению к грызунам и человеку. Этот микроорганизм предпочитает теплые места обитания (23-45°С). Естествоиспытатели под руководством Барри Дуплантиса (Barry N. Duplantis) попытались переориентировать теплолюбивую бактерию. Для этого они пересадили в ее геном участок ДНК от холодолюбивой (психрофильной) бактерии Colwellia psychrerythraea из Арктики, которая прекращает расти и размножаться уже при 19°С.

Чтобы донорский участок ДНК заменил теплолюбивые гены, ученые заставили бактериальную клетку принять на себя обязанности по считыванию и реализации нового материала. То есть транскрипция и трансляция мРНК происходила с участием белков F.novicida, а не C.psychrerythraea. И хотя во многих случаях трансгенная бактерия приобрела гибридные свойства, около 60% лабораторных бактерий стали холодоустойчивыми.

На лабораторных грызунах (мыши и крысы) биологи проверили живучесть трансгенных бактерий в различных частях организма. Оказалось, что холодолюбивый патоген просто не успевал добраться до внутренних органов, которые несколько горячее по сравнению с ушами, хвостами и конечностями. То есть в мышином хвосте или мочке уха бактерия неплохо размножалась и развивалась. При попытке же продвинуться несколько дальше в популяции патогенов из-за перегрева начинался мор.

Арктический иммунитет

Присутствие бактерий не может остаться без внимания иммунной системы, поэтому биологи проверили способность патогенных нежаростойких бактерий стимулировать ответ организма. Оказалось, что вакцинированные мыши проявили большую устойчивость к дикому патогену по сравнению со своими непривитыми сородичами. Более того, если природные бактерии подавляют макрофагов (клетки иммунной системы), то трансгенные бактерии не убивают иммунные клетки. Хотя растут и развиваются точно так же, как и дикие F.novicida.

Исследователи выявили последовательность, которая отвечает за температурные предпочтения, -- ligA. Чтобы проверить, могут ли подобные манипуляции изменить фенотип других патогенных бактерий, ученые пересадили ген ligA_Cp в генотип Salmonela enterica. Опыт показал, что таким способом можно изменить фенотипы многих (грамположительных и грамотрицательных) кишечных инфекций, в том числе Salmonela thyphi, Escherichia coli и Yersinia pestis -- возбудителей брюшного тифа, всевозможных видов диареи и чумы.

Основной вывод экспериментаторов в том, что таким способом можно производить уникальные живые вакцины. Известно, что некоторым людям противопоказаны прививки, которые содержат не продукты метаболизма патогенов, а ослабленные бактерии. У человека с ослабленным иммунитетом от живой вакцинации могут возникнуть нешуточные проблемы со здоровьем. Если же в ампуле окажется живая, но холодолюбивая бактерия, то она вызовет иммунный ответ в организме и погибнет, попав в «горячую зону». Биологи отмечают, что описанный подход можно использовать и для других биотехнологичных целей -- для создания лекарств, кормовых добавок.