Os biólogos sintéticos da Rice University hackearam o sensoriamento bacteriano com um sistema plug-and-play que poderia ser usado para misturar e combinar dezenas de milhares de entradas sensoriais e genéticas. A tecnologia tem implicações abrangentes para diagnósticos médicos, o estudo de patógenos mortais, monitoramento ambiental e muito mais.

Em um projeto de quase seis anos, O bioengenheiro da Rice, Jeff Tabor, e seus colegas conduziram milhares de experimentos para mostrar que podiam religar sistematicamente sistemas de dois componentes, os circuitos genéticos que as bactérias usam para sentir seus arredores e ouvir seus vizinhos. Seu trabalho aparece em um estudo publicado esta semana em Nature Chemical Biology .

O grupo de Tabor reconectou as saídas de sensores bacterianos conhecidos e também moveu os sensores entre bactérias distantemente relacionadas. Mais importante, eles mostraram que podiam identificar a função de um sensor desconhecido.

"Com base em análises genômicas, sabemos que há pelo menos 25, 000 sistemas de dois componentes em bactérias, "disse Tabor, professor associado de bioengenharia na Brown School of Engineering de Rice e o principal cientista do projeto. "Contudo, para cerca de 99% deles, não temos ideia do que eles sentem ou quais genes eles ativam em resposta. "

A importância de uma nova ferramenta que desbloqueia sistemas de dois componentes é enfatizada pela descoberta de 2018 de duas variedades de um mortal, bactéria multirresistente que usa um sistema desconhecido de dois componentes para evitar a colistina, um antibiótico de último recurso. Mas Tabor disse que os possíveis usos da ferramenta vão além da medicina.

"Este é o maior tesouro da natureza em biossensores, "disse ele." Com base na extraordinária especificidade e sensibilidade de alguns dos sistemas de dois componentes que entendemos, Acredita-se amplamente que os sensores bacterianos irão superar qualquer coisa que os humanos possam fazer com a melhor tecnologia de hoje. "

Tabor disse que isso ocorre porque os sensores bacterianos foram aperfeiçoados e aperfeiçoados ao longo de bilhões de anos de evolução.

"As bactérias não têm nada tão sofisticado quanto os olhos, orelhas ou nariz, mas eles viajam entre ambientes muito diferentes - como uma folha ou um intestino ou o solo - e sua sobrevivência depende de sua capacidade de sentir e se adaptar a essas mudanças, " ele disse.

"Os sistemas de dois componentes são como eles fazem isso, "Tabor disse." Estes são os sistemas que eles usam para "ver" a luz, "cheirar" os produtos químicos ao seu redor e "ouvir" as últimas notícias da comunidade, que vem na forma de tweets bioquímicos transmitidos por seus vizinhos. "

As bactérias são a forma de vida mais abundante, e sistemas de dois componentes apareceram em praticamente todos os genomas bacterianos que foram sequenciados. A maioria das espécies tem cerca de duas dúzias de sensores e algumas têm várias centenas.

Existem mais de meia dúzia de categorias amplas de sistemas de dois componentes, mas todos eles funcionam de maneira semelhante. Eles têm um componente de cinase de sensor (SK) que "escuta" um sinal do mundo exterior, e ao "ouvir" isso, inicia um processo chamado fosforilação. Isso ativa o segundo componente, um regulador de resposta (RR) que atua sobre um gene específico - ligando ou desligando como um interruptor ou para cima ou para baixo como um dial.

Embora o código genético dos componentes seja facilmente identificado em uma varredura genômica, o duplo mistério torna quase impossível para os biólogos determinar o que faz um sistema de dois componentes.

"Se você não conhece o sinal que ele detecta e não conhece o gene sobre o qual ele atua, é realmente difícil, "Tabor disse." Nós sabemos a entrada ou a saída de cerca de 1% dos sistemas de dois componentes, e sabemos as entradas e saídas para menos ainda. "

Os cientistas sabem que SKs são proteínas tipicamente transmembrana, com um domínio de detecção, uma espécie de antena bioquímica, que atravessa a membrana externa semelhante a um saco da bactéria. Cada domínio do sensor é projetado para se prender a uma molécula de sinal específica, ou ligante. Cada SK tem seu próprio ligante alvo, e a ligação com o ligante é o que inicia a reação em cadeia que liga um gene, desligado, Para cima ou para baixo.

Mais importante, embora cada sistema de dois componentes seja otimizado para um ligante específico, seus componentes SK e RR funcionam de maneiras semelhantes. Com aquilo em mente, Tabor e o co-autor do estudo, Sebastian Schmidl, decidiram no final de 2013 tentar trocar o domínio de ligação ao DNA, a parte do regulador de resposta que reconhece o DNA e ativa o gene alvo da via.

"Se você olhar para os estudos estruturais anteriores, o domínio de ligação ao DNA muitas vezes parece uma carga que está apenas pegando uma carona no domínio da fosforilação, - disse Tabor. - Por causa disso, pensamos que os domínios de ligação ao DNA podem funcionar como módulos intercambiáveis, ou blocos de Lego. "

Para testar a ideia, Schmidl, em seguida, um DFG Postdoctoral Fellow no grupo de Tabor, religou os componentes de dois sensores de luz que a equipe de Tabor havia desenvolvido anteriormente, um que respondeu à luz vermelha e outro que respondeu ao verde. Schmidl reconectou a entrada do sensor de luz vermelha à saída do sensor de luz verde em 39 locais diferentes entre os domínios de fosforilação e de ligação ao DNA. Para ver se alguma das 39 emendas funcionou, ele os estimulou com luz vermelha e procurou uma resposta de luz verde.

"Dez deles trabalharam na primeira tentativa, e havia um ótimo, um local específico onde a emenda realmente parecia funcionar bem, "Tabor disse.

Na verdade, o teste funcionou tão bem que ele e Schmidl pensaram que poderiam simplesmente ter tido sorte e juntado dois caminhos extraordinariamente bem combinados. Então, eles repetiram o teste, primeiro anexando quatro domínios de ligação de DNA adicionais ao mesmo regulador de resposta e, posteriormente, anexando cinco domínios de ligação de DNA à mesma via de sensor. A maioria dessas religações também funcionou, indicando que a abordagem era muito mais modular do que qualquer abordagem publicada anteriormente.

Schmidl, agora professor assistente de biologia no campus RELLIS do Texas A&M University System em Bryan, deixou a Rice em 2016. Co-autor principal Felix Ekness, um Ph.D. estudante em sistemas de arroz, Programa de Biologia Sintética e Física (SSPB), então assumiu o projeto, a engenharia de dezenas de novas quimeras e a condução de centenas de outros experimentos para mostrar que o método poderia ser usado para misturar e combinar domínios de ligação de DNA entre diferentes espécies de bactérias e entre diferentes famílias de sistemas de dois componentes.

Tabor sabia que um jornal de primeira linha exigiria uma demonstração de como a tecnologia poderia ser usada, e descobrir a função de um sistema de dois componentes totalmente novo foi o teste final. Por esta, pós-doutoranda Kristina Daeffler e SSPB Ph.D. a estudante Kathryn Brink transplantou sete sistemas diferentes de dois componentes desconhecidos da bactéria Shewanella oneidensis para E. coli. Eles desenvolveram uma nova cepa de E. coli para cada sensor desconhecido, e usaram troca de domínio de ligação de DNA para ligar todas as suas atividades à expressão da proteína verde fluorescente.

Embora eles não soubessem a entrada de nenhum dos sete, eles sabiam que S. oneidensis foi descoberto em um lago no interior do estado de Nova York. Baseado nisso, eles escolheram 117 produtos químicos diferentes que o S. oneidensis poderia se beneficiar ao detectar. Como cada produto químico teve que ser testado individualmente com cada mutante e um grupo de controle, Brink teve que executar e replicar quase 1, 000 experimentos separados. O esforço valeu a pena quando ela descobriu que um dos sensores estava detectando mudanças no pH.

Uma pesquisa genômica pelo sensor recém-identificado ressaltou a importância de se ter uma ferramenta para desbloquear sistemas de dois componentes:o sensor de pH detectou várias bactérias, incluindo o patógeno que causa a peste bubônica.

"Isso destaca como desbloquear o mecanismo de sistemas de dois componentes poderia nos ajudar a entender melhor e, esperançosamente, a tratar melhor as doenças também, "Tabor disse.

Para onde a Tabor está levando a tecnologia a seguir?

Ele está usando para explorar os genomas de bactérias intestinais humanas em busca de novos sensores de doenças, incluindo doenças inflamatórias intestinais e câncer, com o objetivo de projetar uma nova geração de probióticos inteligentes que podem diagnosticar e tratar essas doenças.