1. oldal
Az okosórák, okostelefonok és egyéb okoskütyük mellett rövidesen az okosbaktériumok hozhatnak változást a gyógyászatba és az egészségmegőrzésbe. Olyan mikrobákról van szó, amelyeket genetikailag átprogramoztak, és ennek eredményeként különböző célokat szem előtt tartva járőröznek testünkben, jelentik, ha problémát észlelnek, és lehetőség szerint rögtön meg is próbálják megoldani a gondot. A baktériumok ugyanis, legyen szó a bennünk élő vagy a szervezetünket megtámadó mikrobákról, néhány génnel kiegészítve rendkívüli pontosságú mikrodrónokká alakíthatók, és ez jelentős részben természetes tulajdonságaiknak köszönhető.
Mindezen próbálkozások, amelyek lassan kilépnek a laborból, hogy élő betegeken is tesztelésre kerüljenek, a szintetikus biológia gyorsan fejlődő területének részét képezik. A szintetikus biológusok alkatrészekként tekintenek a génekre, amelyekből tetszés szerinti rendszereket építenek fel, majd élő sejtekbe pakolják ezeket. Egy vagy két gén óvatos megváltoztatása helyet egész hálózatokat rendeznek át kedvük szerint, így véve rá az élesztőgombákat, hogy sör helyett maláriaellenes szert állítsanak elő, más sejteket pedig arra utasítanak, hogy ha daganatossá válnak, pusztítsák el saját magukat.
A mikrobák ezen mérnökei kezdetben olyan baktériumokkal dolgoztak, amelyek laboratóriumi körülmények közt jól ismertnek számítottak. A kólibaktériumot vagy a joghurtgyártásban használt Lactobacillus bulgaricust régóta tanulmányozzák ugyan a szakértők, így módosítani is egyszerűbb ezeket, viszont az emberi bélrendszerben viszonylag ritkának számítanak. További probléma velük, hogy nem képesek hosszabb távon megmaradni a szervezetben, így újra és újra pótolni kell őket.
Márpedig ha igazán hatékony járőrökre vágyunk, olyan baktériumokat érdemes választani ezek létrehozásához, amelyek jól érzik magukat a belekben. A Bacteroides thetaiotaomicron pedig pontosan ezen fajok közé tartozik. Egy átlagos nyugati ember emésztőrendszerének mikrobáit 30−50 százalékban a Bacteroides törzsbe tartozó fajok képviselői teszik ki. Ez egyben azt is jelenti, hogy az említett fajok kitűnően alkalmazkodtak a belekben uralkodó körülményekhez, és nagyon hatékony kolonizálók is. A B. thetaiotaomicron ezen bélbaktériumok legtöbbet tanulmányozott képviselője, és az emberi mikrobiom egyik legnagyobb sztárjának számít, mióta az 1990-es években a kutatók sejteni kezdték, hogy milyen fontos szerepet játszanak a bennünk élő baktériumok szervezetünk egészséges működésében.
Mark Mimee és Alex Tucker, az MIT kutatói most ezen baktérium egyikét „hekkelték meg”, egy olyan biológiai részegységekből álló készletet hozva létre, amely segítségével tetszés szerint átprogramozható a mikroba. Kezdésként olyan „áramköröket” hoztak létre, amelyek véglegesen aktiválják a kiszemelt gént, majd ennek működési sebességét egy előre kiválasztott, széles határokon belül variálható értékre állítják be. A rendszert világító proteineket termelő géneken tesztelték, és a kísérletek során hihetetlen pontossággal tudták kontrollálni a kibocsátott fény erősségét.
A kutatás következő szakaszában indukálható áramkörökön dolgoztak, amelyek csak akkor veszik célba előre kiválasztott génjüket, ha megkapják a megfelelő külső ingert egy hatóanyag vagy táplálékkiegészítő formájában. Ha az inger aktiválja ezeket, az áramkör egy olyan enzimet kezd termelni, amely kivágja a DNS egy darabját, majd fordítva ragasztja vissza azt a helyére. A mikroba ilyen módon képes megőrizni az ingerként használt anyaggal való találkozás emlékét, hiszen ennek jele saját genomjába íródik bele. A genetikai állomány szekvenálásával a fordított szakasz jelenléte kimutatható, vagyis a mikroba gyakorlatilag olyan krónikássá alakítódott át, amely feljegyzi és megőrzi a bélrendszer bizonyos eseményeit.
2. oldal
A csapat végül olyan áramköröket is létrehozott, amelyek a lekapcsolják a B. thetaiotaomicron specifikus génjeit. Ezt a CRISPR-interferencia nevű új metódussal érték el. A CRISPR-Cas9 génszerkesztési eljárás során a DNS egyik szakaszát egy másikra cserélik le, mégpedig olyan módon, hogy a sejtbe bejuttatnak egy, a DNS elmetszésére alkalmas enzimet (Cas9), ehhez kapcsolva egy vezető RNS-szálat, amely a megváltoztatni kívánt résszel komplementer, kijelölve a vágás helyét, illetve a csomag részét képezi a kivágott szakasz új verziójának templátja is, amely a DNS javító mechanizmusai számára mintaként szolgál a szakasz újjáépítése során.
A CRISPR-interferencia abban különbözik ettől, hogy az enzim nem vágja el a DNS-szálat, hanem csak hozzákapcsolódik a kiválasztott szakaszhoz, megakadályozva a kiszemelt gén más enzimek általi aktiválását. Mimee és Tucker eredetileg olyan génekhez kötötték a Cas9 enzimet, amelyek érzékenyek bizonyos külső ingerekre, így csakis ezek jelenlétében engedi szabadjára a génpassziváló egységeket, tetszés szerinti DNS-szakaszok működését iktatva ki.
Bár az említett metódusok alapvetően nem számítanak újnak, bélbaktériumokon történő alkalmazásuk nem volt egyszerű feladat. Míg a kólibaktériumot nevetségesen könnyű tenyészteni, a B. thetaiotaomicron nagyon érzékeny az oxigén jelenlétére, így minden kísérletet egy ettől mentes kamrában kellett végrehajtani. A bélbaktérium esetében ráadásul arra is új módszert kellett kidolgozni, hogyan juttatják be az új DNS-szakaszokat annak genomjába, mert ami a kólibaktériumnál viszonylag egyszerű feladat, a mikrobák többségénél jóval komplikáltabb kihívást jelent.
A szintetikus biológiai eljárások jelentős része rendszerint pontosan ezen a ponton bukik el. A papíron kiötlött áramkörök elméletben és a Petri-csészében jól működnek, amikor azonban egy élő sejten próbálják alkalmazni ezeket, majd a módosított mikrobákat visszahelyezik egy élőlény szervezetébe, kiderül, hogy valami mégsem stimmel a módszerrel. Mimee és Tucker azonban ezt is lépést sikerrel megtették: az átalakított bélbaktériumokat egerek emésztőrendszerébe juttatták be, és azok az elvárásoknak megfelelően működtek.
Gyönyörű és elegáns megoldásról van szó, amely kiválóan demonstrálja a szintetikus biológiában rejlő lehetőségeket, mondja Michael Fischbach, a Kaliforniai Egyetem kutatója, aki maga is mikrobák átprogramozásával próbálkozik. „A Bacteroides-fajok ideális nyersanyagot jelentenek mindehhez, hiszen ezek olyan barátságos baktériumok, amelyek professzionálisan kolonizálják a beleket.”
Az átprogramozott bélbaktériumok működőképességének igazolása azért is nagy fegyvertényt jelent, mert ezen mikrobák révén számos olyan dolgot megtudhatunk saját szervezetünkkel kapcsolatban, amiről egyelőre fogalmunk sincs. Az emésztőrendszer ugyanis sok szempontból fekete lyuknak számít, ami az élettani kutatásokat illeti: a táplálék bemegy, majd 8,5 méternyi csőrendszeren áthaladva a salakanyagok elhagyják a szervezetet. Nagyjából persze értjük, hogy mi történik közben, a pontos részleteket azonban nagyon nehéz tanulmányozni.
Nem tudjuk például, hogy mit tapasztal meg egy egysejtű, amikor a bélrendszerben úszkál. Ha gyulladási folyamatok lépnek fel, érzékeli ezeket? És pontosan mivel táplálkozik? Csupa olyan kérdésről van szó, amelyekre az MIT kutatóinak mikrobiális krónikásai és járőrei rövidesen választ adhatnak.
A következő lépés pedig a genetikailag átalakított baktériumok terápiás használata lehet, hogy ezzel a mikrobák által detektált probléma minél hamarabb megoldódjon. Így az olyan esetekben, mint a Haitin jelenleg is tomboló kolerajárvány, az egészségügyi személyzet nem gyógyszereket osztana, hanem intelligens mikrobákat adagolna a betegeknek és a fertőzésnek kitetteknek, a kiokosított, megfelelő hatóanyagokat cipelő bélbaktériumok pedig csakis ott fejtenék ki jótékony hatásukat, ahol szükség van rájuk.
