Бактериофаги – вирусы, поражающие бактерии, – используются в медицине уже более ста лет. Сегодня, в условиях растущей угрозы устойчивости бактерий к антибиотикам, интерес к ним возрождается. Однако большинство исследований до сих пор было сосредоточено на природных вирусах, поскольку традиционные методы их модификации медленны, сложны и плохо масштабируются. Теперь этот барьер может быть преодолен.
В новом исследовании, опубликованном в PNAS, ученые из компаний New England Biolabs (NEB) и Йельского университета сообщили о создании первой полностью синтетической системы для инженерии бактериофагов. Их целью стала Pseudomonas aeruginosa – крайне устойчивая к антибиотикам бактерия, представляющая серьезную угрозу для здоровья людей во всем мире. Подход основан на платформе Golden Gate Assembly, которая позволяет исследователям конструировать фаги, используя цифровые данные о последовательности ДНК, а не физические образцы вирусов.
С помощью этой системы команда собрала фаг для P. aeruginosa из 28 синтетических фрагментов ДНК. Затем ученые запрограммировали вирус, наделив его новыми возможностями путем внесения точечных мутаций, а также вставок и удалений участков ДНК. Эти изменения позволили не только менять гены «хвостовых нитей», чтобы настроить вирус на другие виды бактерий, но и добавлять флуоресцентные маркеры, делающие процесс заражения видимым в режиме реального времени.
«Даже в лучших случаях инженерия бактериофагов была чрезвычайно трудоемкой. Исследователи тратили целые карьеры на разработку процессов для модификации конкретных модельных фагов, – отмечает Энди Сиккема, один из ведущих авторов статьи и научный сотрудник NEB. – Этот синтетический метод предлагает технологический прорыв в простоте, безопасности и скорости, открывая путь для новых биологических открытий и терапевтических разработок».
Новая стратегия позволяет собрать целый геном фага вне клетки, сразу внося все запланированные генетические изменения. После сборки геном вводится в безопасный лабораторный штамм бактерии, где он активируется и превращается в полноценный бактериофаг. Это устраняет необходимость в многократных раундах отбора или пошаговых генетических правках внутри живых клеток, а также решает проблему работы с вирусами, которые заражают опасные для человека патогены.
В отличие от других методов сборки ДНК, которые объединяют меньшее количество, но более длинных фрагментов, Golden Gate Assembly использует короткие сегменты. Их легче производить, они менее токсичны для клеток-хозяев и с меньшей вероятностью содержат ошибки. Метод также хорошо справляется с геномами фагов, содержащими повторяющиеся последовательности или экстремальное содержание GC-пар, что часто усложняет сборку ДНК. Упрощая процесс, этот подход значительно расширяет потенциал разработки бактериофагов в качестве таргетной терапии.
Развитие системы стало результатом тесного сотрудничества между учеными NEB, которые годами совершенствовали метод сборки, и исследователями фагов из Йельского университета, которые увидели в этой технологии новые возможности. Технология уже доказала свою универсальность: в сотрудничестве с Питтсбургским университетом ее применили для создания фагов против микобактерий, а с Корнеллским университетом – для разработки фаговых биосенсоров для обнаружения кишечной палочки в питьевой воде.
«Моя лаборатория создает «странные молотки», а затем ищет подходящие гвозди, – говорит Грег Ломан, старший научный сотрудник NEB и соавтор исследования. – В этом случае сообщество специалистов по фаговой терапии сказало нам: «Это именно тот молоток, которого мы так долго ждали»».
