Американським науковцям вдалося змінити профіль кишкового мікробіому в живому організмі, застосувавши генну інженерію. Вони створили бактеріофаг із вбудованою в нього системою CRISPR-Cas9, який націлюється лише на конкретний штам кишкової палички в кишківнику мишей. Так вони змогли майже повністю усунути з кишкового мікробіому мишей обраний штам, не зачіпаючи інших. Результати оприлюднені в журналі Cell Reports.
E. coli. STEVE GSCHMEISSNER — Getty Images / Science Photo Library RM
Для чого редагувати геном у бактерій кишківника?
Як показали численні дослідження останніх років, кишковий мікробіом відіграє одну з основних ролей водночас у підтриманні й погіршенні здоров'я людини. Його роль залежить від чисельності та видового складу мікробного угруповання. Так, мікробіом кишківника вже пов'язували із розсіяним склерозом, захистом від радіації, схильністю до набору ваги, порушеннями сну, боязкістю в немовлят та запальними хворобами кишківника. Такі дослідження давали змогу виявити групи мікробів, що можуть бути залученими в розвитку або запобіганні захворювань. Але визначити роль окремих симбіонтів складно, оскільки це часто вимагає точного контролю складу кишкового мікробіому — можливості додавати або усувати мікробів на рівні виду або навіть штаму. Допомогти у цьому можуть сучасні технології редагування геному, наприклад, система CRISPR-Cas. Її можна вбудувати у бактеріофаги, націлені на конкретних бактерій. Інфікуючи бактеріальну клітину, вірус доставлятиме до неї систему редагування геному, яка внесе точні модифікації за бажанням дослідників. Подібну технологію в кишківнику живого організму вперше випробували науковці Каліфорнійського університету в Сан-Франциско з колегами у своїй новій роботі.
Якою генетичною модифікацією займалися вчені?
Автори зосередилися на зміні геному кишкової палички (Escherichia coli) в організмі лабораторних мишей. Ця бактерія є частиною нормального мікробіому кишківника, але деякі її штами здатні викликати серйозне отруєння. Для модифікації кишкової палички вчені використали вірус М13, що природно її інфікує, але не спричиняє, як багато інших, руйнування клітини при виділенні з неї віріонів. Вони змінили вірус, додавши до нього систему CRISPR-Cas9 і націливши на конкретний штам кишкової палички.
Чого вдалося досягти генною інженерією?
Спочатку вчені заразили 19 мишей двома стійкими до антибіотиків штамами кишкової палички. Водночас тваринам давали антибактеріальні препарати, щоб збільшити кількість обраних E. coli в кишківнику. Зрештою це призвело до того, що ці штами стали домінантними в мікробіомі.
Відтак дослідники орально ввели частині мишей розчин із модифікованими бактеріофагами, націленими на один зі штамів кишкової палички. Інструмент CRISPR-Cas9 дав їм змогу розпізнавати характерні для бактерій цього штаму фрагменти геному та розрізати частину ДНК, завадивши цим їхньому розмноженню.
Через два тижні частка кишкових бактерій, на яких націлювалися, в оброблених відповідними бактеріофагами мишей склала у середньому усього 1 відсоток. Тоді як у контрольної групи мишей, яким таких вірусів не вводили, досліджуваний штам кишкової палички складав у середньому 99 відсотків.
Вчені вважають, що їхня робота демонструє можливість застосування технології CRISPR для точної маніпуляції кишковим мікробіомом в організмі ссавців. Вони сподіваються, що в майбутньому подібним чином можна буде лікувати захворювання, наприклад, націлюючись на конкретних збудників. Це дасть змогу уникнути використання антибіотиків, які вражають не лише патогенні бактерії, а й корисні. Та перш ніж це стане можливим, потрібно вдосконалити підхід та обійти наявні обмеження. Приміром, у цьому дослідженні науковці виявили кілька механізмів, завдяки яким бактерії можуть уникати впливу CRISPR-Cas9.