Биоинженеры из Калифорнийского университета в Дэвисе создали уникальные гибридные организмы — бактерии-киборги. Эти клетки объединяют живую бактерию с синтетическими компонентами, что позволяет им сохранять основные биологические функции, но при этом лишает способности размножаться. Такой подход открывает новые возможности для медицины, экологии и биотехнологий.

Как создаются бактерии-киборги

Ученые внедрили в живые бактериальные клетки искусственный полимер, который затем закрепили с помощью ультрафиолетового света в гидрогелевой матрице. Этот процесс превращает бактерии в полуживые системы, которые:

• Сохраняют функциональность живой клетки.
• Не способны к размножению, что исключает риск неконтролируемого распространения.
• Обладают повышенной устойчивостью к внешним воздействиям.

Преимущества бактерий-киборгов

Устойчивость к стрессовым факторам - клетки-киборги выдерживают воздействие перекиси водорода, антибиотиков и экстремальных уровней pH.Это делает их идеальными для работы в агрессивных средах, например, внутри организма человека.

Применение в медицине - бактерии-киборги способны проникать в раковые клетки, что открывает перспективы для адресной доставки лекарств. Их можно использовать для диагностики и лечения заболеваний, минимизируя побочные эффекты.

Экологическое применение - устойчивость к антибиотикам и кислотности позволяет использовать их для очистки загрязненных сред или борьбы с патогенами.

Практические перспективы

Исследователи продолжают изучать различные материалы для создания биосинтетических клеток. Уже сейчас бактерии-киборги демонстрируют огромный потенциал в следующих областях:

• Медицина: доставка лекарств, лечение рака, диагностика.
• Экология: очистка воды и почвы, борьба с загрязнениями.
• Биотехнологии: создание новых биоматериалов и систем.

Бактерии-киборги — это шаг вперед в синтетической биологии. Они сочетают в себе преимущества живых клеток и синтетических систем, устраняя их недостатки. В будущем такие организмы могут стать незаменимыми инструментами для решения сложных задач в медицине и экологии.

Что могут бактерии-киборги?

Клетки-киборги, созданные путем объединения живых бактерий с синтетическим гидрогелем, демонстрируют уникальные свойства, недоступные для обычных бактерий. Вот их ключевые возможности:

1. Устойчивость к гиперокислительной среде
Клетки-киборги выживают в присутствии высокой концентрации перекиси водорода (H2O2) — 10% (3 М).

В таких условиях бактерии дикого типа погибают из-за окислительного повреждения мембран, белков и ДНК.

Морфология клеток-киборгов остается неизменной, что подтверждает их стабильность в агрессивных средах.

2. Устойчивость к антибиотикам
Клетки-киборги устойчивы к действию D-циклосерина — антибиотика, который разрушает клеточную стенку бактерий.

Даже под воздействием D-циклосерина (200 мкг/мл) клетки-киборги продолжают синтезировать белки, например, флуоресцентный mOrange.

В аналогичных условиях бактерии дикого типа лизируются (разрушаются).

3. Функционирование в среде с высоким pH
Клетки-киборги сохраняют стабильность и способность экспрессировать белки (например, mOrange) при pH от 7 до 9.

При pH 8 бактерии дикого типа образуют нитевидные структуры и теряют способность синтезировать белки.

При pH 9 клетки дикого типа лизируются, в то время как клетки-киборги продолжают функционировать.

4. Новые возможности для применения
Устойчивость к стрессовым факторам (окисление, антибиотики, высокий pH) делает клетки-киборги перспективными для:

Биоремедиации: очистки загрязненных сред с экстремальными условиями.

Медицины: доставки лекарств в агрессивные среды организма, например, в раковые клетки.

Промышленности: использования в процессах, требующих устойчивости к щелочам или антибиотикам.

Эти свойства клеток-киборгов открывают новые горизонты для их применения в науке, медицине и экологии.

Бактерии - киборги (клетки) помогут человечеству избавиться от рака?

Одной из ключевых задач синтетической биологии в медицине является разработка систем для доставки лекарств непосредственно в опухоли. Клетки-киборги, созданные на основе бактерий E. coli, демонстрируют уникальную способность проникать в раковые клетки благодаря экспрессии белка Invasin. Этот белок, заимствованный у бактерии Yersinia pseudotuberculosis, связывается с рецепторами β1-интегринов на поверхности клеток млекопитающих, что позволяет бактериям проникать внутрь. В эксперименте клетки-киборги, экспрессирующие Invasin и флуоресцентный белок mOrange, успешно инвазировали клетки нейробластомы (SH-SY5Y) и аденокарциномы (HeLa).

Исследования in vitro показали, что клетки-киборги с Invasin проникают в ≈34% раковых клеток SH-SY5Y, тогда как контрольные клетки без Invasin — только в 15%. Конфокальная микроскопия подтвердила, что клетки-киборги находятся внутри цитоплазмы раковых клеток, что делает их перспективными для адресной доставки терапевтических агентов. Аналогичные результаты были получены для клеток HeLa, что подчеркивает универсальность подхода.

Эти эксперименты демонстрируют, что клетки-киборги могут стать эффективным инструментом для борьбы с раком. Однако их потенциал можно усилить, оптимизировав уровень экспрессии Invasin и добавив дополнительные поверхностные белки, нацеленные на специфические маркеры раковых клеток. Это открывает новые возможности для разработки персонализированных методов лечения онкологических заболеваний.
Источник