Ученые из Университета Ватерлоо разработали инновационный метод терапии рака, использующий генетически модифицированные бактерии для уничтожения опухолей изнутри. Исследователи научили почвенный микроорганизм Clostridium sporogenes распознавать специфические условия внутри новообразований и активировать защитные механизмы только при достижении критической массы клеток, что делает лечение прицельным и безопасным.
«Чувство кворума» (quorum sensing) — это редкий пример социального поведения микробов. Бактерии постоянно выделяют в среду особые молекулы-автоиндукторы. В малых концентрациях эти вещества никак не влияют на поведение колонии. Однако, когда бактерий становится много в замкнутом пространстве опухоли, концентрация молекул достигает порогового значения. Это служит сигналом для синхронного изменения генетической программы всей популяции. «Кворум» позволяет бактериям «понять», что они успешно захватили плацдарм внутри опухоли и готовы к наступлению на раковые клетки.
В основе новой стратегии лежит использование природной особенности бактерий Clostridium sporogenes — их способности нормально развиваться в бескислородной среде. Центр многих плотных опухолей состоит из отмерших клеток и практически лишен кислорода, что превращает его в идеальную нишу для развития этих микробов.
Попадая в организм, споры бактерий игнорируют здоровые ткани и активируются только там, где находят подходящие условия для жизни. Как отмечает соавтор работы профессор Марк Окуан: «Споры бактерий проникают в опухоль, находят среду, где много питательных веществ и нет кислорода, и начинают потреблять эти питательные вещества и расти. Таким образом, бактерия колонизирует это центральное пространство, и избавляет организм от опухоли».
Этот процесс позволяет микроорганизмам буквально съедать пораженные ткани, действуя как биологический скальпель, который работает там, куда трудно добраться традиционными методами. Работа опубликована в журнале ACS Synthetic Biology.
Генетический щит и система контроля
Но на пути к полному исцелению стоит серьезное препятствие: как только бактерии расширяют зону своего влияния и приближаются к внешним краям опухоли, где присутствует кислород, они начинают гибнуть.
Чтобы решить эту проблему, ученые применили методы синтетической биологии, внедрив в микроорганизм ген устойчивости к кислороду от родственного вида. Для управления этим процессом ученые сконструировали сложную систему, работающую по принципу «чувства кворума». Бактерии обмениваются химическими сигналами, и только когда их плотность внутри опухоли становится достаточно высокой, защитный ген включается.
Соавтор работы профессор прикладной математики Брайан Ингаллс говорит: «Используя синтетическую биологию, мы построили что-то вроде электрической схемы, но вместо проводов использовали фрагменты ДНК. У каждой части своя работа». «Генетический контур» также гарантирует, что бактерии не станут бесконтрольно размножаться в кровотоке или других органах.