p Os biólogos sintéticos estão equipando os genomas dos microrganismos com circuitos de genes sintéticos para quebrar os plásticos poluentes, diagnosticar e tratar infecções no intestino humano de forma não invasiva, e gerar produtos químicos e nutrição em voos espaciais de longo curso. Embora se mostre muito promissor no laboratório, essas tecnologias exigem medidas de controle e segurança que garantem que os microrganismos projetados mantenham seus circuitos de genes funcionais intactos ao longo de muitas divisões celulares, e que estão restritos aos ambientes específicos para os quais foram projetados. p Esforços anteriores no Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard, liderados pelos membros do corpo docente Pamela Silver e James Collins, criaram "interruptores de morte" em bactérias que os levam a cometer suicídio em condições de laboratório quando não são mais desejados. "Precisávamos levar nosso trabalho anterior adiante e desenvolver interruptores de eliminação que sejam estáveis ​​a longo prazo e também sejam úteis em aplicativos do mundo real, "disse Silver, que também é Elliot T. e Onie H. Adams Professor de Bioquímica e Biologia de Sistemas na Harvard Medical School (HMS). Sua equipe de pesquisa agora informa em Molecular Cell dois novos tipos de interruptores kill que tratam desses desafios. Os novos kill switches são auto-suficientes e altamente estáveis ​​em populações bacterianas que evoluem, e eles duram por muitas gerações. Eles podem garantir que apenas bactérias com circuitos de genes sintéticos intactos sobrevivam, ou confinar as bactérias a um ambiente alvo a 37 ° C (temperatura corporal), enquanto induzindo-as a morrer em temperaturas mais baixas, como demonstrado durante a saída bacteriana de um trato intestinal de camundongo.

p Para o primeiro tipo de switch kill, o "Essentializer", A equipe de Silver aproveitou seu "elemento de memória" previamente projetado, que permite que a bactéria E. coli se lembre de um encontro com um estímulo específico em seu ambiente. O elemento de memória, derivado de um vírus infectante de bactérias chamado bacteriófago lambda, ou permanece em silêncio ou relata a ocorrência de um sinal ao ligar permanentemente um transgene repórter visível que os cientistas podem rastrear. O sinal pode ser qualquer molécula, por exemplo, uma citocina inflamatória no intestino ou uma toxina no meio ambiente.

p Em seu estudo recente, a equipe criou uma maneira de garantir que o elemento de memória não seja perdido do genoma durante a evolução da população bacteriana ao longo de mais de cem gerações. Durante esse tempo, os genomas de bactérias individuais adquirem mutações aleatórias, que também pode ocorrer potencialmente no elemento de memória, destruindo-o em seu rastro. Os pesquisadores introduziram o Essentializer como um elemento separado em outro local do genoma da bactéria. Enquanto o elemento de memória permanecer intacto, qualquer um dos dois fatores bacteriófagos que controlam sua função também inibe a expressão de um gene de toxina codificado pelo Essentializer. Contudo, o gene da toxina permanece um tanto "permeável", ainda produz quantidades residuais de toxina que podem matar a célula. Para manter os níveis de toxina residual sob controle, os pesquisadores incluíram um segundo gene em seu switch kill, que produz baixos níveis de uma antitoxina que pode neutralizar pequenas quantidades da toxina.

p "Ao vincular a função do elemento de memória à do Essentializer, basicamente vinculamos a sobrevivência da bactéria E. coli à presença do elemento de memória. A remoção do elemento de memória do genoma bacteriano, que também elimina os dois fatores fágicos supressores de toxinas, aciona imediatamente o interruptor de eliminação para produzir grandes quantidades de toxina que oprimem a antitoxina e eliminam as bactérias afetadas da população, "disse o primeiro autor Finn Stirling, um estudante de graduação trabalhando com Silver. "Para criar este sofisticado sistema de freios e contrapesos, também nos certificamos de que os interruptores de eliminação permaneciam totalmente intactos, que é um pré-requisito importante para aplicações futuras; verificamos que eles ainda estavam funcionais após cerca de 140 divisões de células. "

p O segundo tipo de kill switch que a equipe chama de "Cryodeath" é capaz de confinar as bactérias a uma faixa de temperatura específica usando a mesma combinação de toxina / antitoxina, mas regulando-a de forma diferente. Mais uma vez, baixos níveis da antitoxina foram produzidos, o gene da toxina foi ligado a uma sequência regulatória que confere sensibilidade ao frio. Mudando as bactérias de 37 ° C, onde eles deveriam prosperar, a 22 ° C, potentemente induziu a expressão da toxina e matou a bactéria. Em experimentos de prova de conceito seminais, a equipe demonstrou a utilidade do Cryodeath in vivo. Depois de introduzir uma cepa de E. coli contendo o interruptor de morte em camundongos, apenas 1 de 100, 000 bactérias eram viáveis ​​em amostras fecais. "Esse avanço nos aproxima significativamente das aplicações do mundo real de micróbios criados sinteticamente no corpo humano ou no meio ambiente. Agora estamos trabalhando em combinações de interruptores de interrupção que podem responder a diferentes estímulos ambientais para fornecer um controle ainda mais rígido, "disse Silver.

p "Este estudo mostra como nossas equipes estão aproveitando a biologia sintética não apenas para reprogramar os micróbios para criar dispositivos celulares vivos que podem realizar funções úteis para a medicina e remediação ambiental, mas fazer isso de uma maneira que seja segura para todos, "disse o Diretor Fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular no HMS e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS).