Úpravou chemoreceptorů k ovládnutí pohybu bakterií, nádorové terapii a vytváření umělých bakteriálních společenství

Bakterie stejně jako všechny ostatní organismy reagují na chemické podněty pomocí široké škály chemoreceptorů. Ty se dají velmi zjednodušeně rozdělit na receptory, které přijímají signál vně nebo uvnitř buňky. Jedním z nejdůležitějších typů „vnějších" chemoreceptorů bakterií je skupina transmembránových receptorů, které po rozeznání chemického signálu (např. aminokyseliny, cukry) umožňují bakteriím směrování pohybu (chemotaxe) a přizpůsobení metabolismu. Přirozenou funkci těchto receptorů, kterou je podávání informace o přítomnosti živin, toxických látek nebo mezibuněčná komunikace, lze upravit pro medicínské nebo biotechnologické účely. A to tím, že „naučíme" bakterie sledovat a reagovat na molekuly, které si samy vybereme.

Jednou z velmi nadějných aplikací je řízená invaze bakterií Escherichia coli do nádoru.  V tomto případě mohou bakterie rozpoznávající rakovinné buňky sloužit k doručení cytotoxického produktu na místo potřeby. Jinou strategií je bakteriální produkce lidských proteinů stimulujících potlačenou imunitní reakci uvnitř samotného nádoru.  Aby byla E. coli schopná adheze a invaze, je do ní vnesen gen pro invasin z bakterie Yersinia pseudotuberculosis. Exprese invasinu je kontrolována tak, aby došlo k jejímu spuštění při hypoxii a vysoké hustotě buněk, což jsou znaky typické pro nádorové tkáně.

Úskalím inženýrství chemoreceptorů zůstává nutnost dosáhnutí velkých změn ve specifičnosti pro rozpoznávaný signál pomocí malých změn v existujícím systému receptorů. Tento problém se dá částečně v některých případech obejít. Do bakterie je vložen gen pro periplazmaticky lokalizovaný enzym, který upravuje původně nepřirozený substrát na produkt, pro nějž jsou receptory v cytoplazmatické membráně přítomny.

Chemotaxe umožňuje každé bakterii v populaci pohybovat se do takových podmínek, které jí zajistí nejlepší přežití a růst. V přirozeném prostředí se však nevyskytuje jediná populace identických bakterií a bipolární prostředí.  Jsou vytvářena různorodá společenství, v nichž dochází ke vzájemné komunikaci a ovlivňování, prostředí se neustále mění vnějšími zásahy, produkcí metabolitů apod. Genetickým inženýrstvím chemoreceptorů můžeme pro vlastní účely pozměnit vztahy mezi kmeny bakterií a tak formovat umělá společenství, která budou schopná řešit komplexnější úkoly než přeměnu jednoho substrátu na produkt.  Při tvorbě syntetického ekosystému je díky receptorům možné dále upravit vztahy mezi populacemi. Výsledkem toho jsou například balancované ekosystémy s populacemi ve vztahu predátor-kořist. Dostává se nám tak do rukou další zbraň pro studium přirozených interakcí jednoduchých organismů. Mnohé výzkumné skupiny jsou pak zaměřeny na vytvoření minimálního životaschopného, udržitelného a kontrolovatelného systému. Takový by mohl pomoci i při bioremediaci škod způsobených úniky ropy.

-MJ-

Použité zdroje:

ANDERSON, J., CLARKE, E., ARKIN, A. & VOIGT, C. 2006. Environmentally controlled invasion of cancer cells by engineered bacteria. J Mol Biol, 355, 619-27.

GOLDBERG, S., DERR, P., DEGRADO, W. & GOULIAN, M. 2009. Engineered single- and multi-cell chemotaxis pathways in E. coli. Mol Syst Biol, 5, 283.

MISHLER, D., TOPP, S., REYNOSO, C. & GALLIVAN, J. 2010. Engineering bacteria to recognize and follow small molecules. Curr Opin Biotechnol.