Бактериофаги уже больше века используются для лечения инфекционных бактериальных заболеваний. Поскольку инфекции, устойчивые к антибиотикам, все больше угрожают общественному здоровью, интерес к бактериофагам как терапевтическим средствам снова возрос. Однако эта отрасль до сих пор значительно ограничена природными штаммами, ведь сложные методы их инженерии замедляют открытие и создание индивидуализированных терапевтических вариантов.

Теперь исследователи из New England Biolabs (NEB®, Массачусетс, США) и Йельского университета (Коннектикут, США) описали первую полностью синтетическую систему создания бактериофагов для Pseudomonas aeruginosa — бактерии, устойчивой к антибиотикам и важной в глобальном масштабе. Это исследование опубликовано в журнале PNAS. Система работает благодаря платформе High-Complexity Golden Gate Assembly (HC-GGA), разработанной NEB.

В этом методе ученые создают бактериофаги синтетически – на основе генетических последовательностей, а не изолированных вирусов. Команда собрала фаг для P. aeruginosa из 28 синтетических фрагментов и запрограммировала его новые свойства с помощью точечных мутаций, вставок и удалений ДНК.

Эти модификации включали:

замену генов хвостовых волокон для изменения спектра бактерий, которые фаг может заражать,

вставление флуоресцентных маркеров для наблюдения за инфекцией в реальном времени.

«Даже в лучших условиях инженерия бактериофагов была очень трудоемкой. Исследователи тратили целые карьеры на разработку методов создания конкретных модельных фагов в бактериях-хозяевах», - отметил Энди Сиккема, один из ведущих авторов статьи и научный сотрудник NEB.

Этот синтетический метод обеспечивает значительный технологический прорыв в простоте, безопасности и скорости, открывая путь к новым биологическим открытиям и созданию терапий.

НОВЫЙ ПОДХОД К ИНЖЕНЕРИИ БАКТЕРИОФАГОВ

Благодаря платформе Golden Gate Assembly от NEB, ученые могут создавать полный геном фага вне клетки, по частям, используя цифровую генетическую информацию – и сразу включать все необходимые изменения.

Геном собирается из синтетической ДНК и затем вводится в безопасный лабораторный штамм бактерий.

Этот метод устраняет древние проблемы:

больше не нужно работать с реальными изолированными фагами,

не нужны специализированные штаммы бактерий-хозяев,

что особенно сложно для терапевтических фагов, атакующих патогены человека.

Кроме того, исчезает необходимость в:

длительном отборе,

многократных редактированиях, характерных для методов внутри клетки.

В отличие от других методов сборки ДНК, которые используют меньшее количество более длинных фрагментов, Golden Gate Assembly работает с более короткими сегментами. Это дает преимущества:

меньшая токсичность для клеток,

более легкая подготовка,

меньший риск ошибок.

Метод также менее чувствителен к повторяющимся участкам и высокому содержанию GC, характерным для многих геномов фагов.

Благодаря упрощению и гибкости, этот подход существенно расширяет возможности для ученых, работающих над созданием фаговых терапий против антибиотикорезистентности.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ НАХОДЯТ СВОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Разработка этого быстрого метода стала возможной благодаря сотрудничеству:

ученых NEB, создавших инструменты для надежной сборки большого количества фрагментов ДНК,

и исследователей бактериофагов из Йельского университета, увидевших потенциал этой технологии.

Первоначально метод оптимизировали на модельном фаге Escherichia coli T7. Впоследствии его начали применять к немодельным фагам, атакующим высокостойкие к антибиотикам патогены.

"Моя лаборатория создает "странные молотки", а затем ищет соответствующие "гвозди"", - подытожил Грег Ломан, старший научный сотрудник NEB и соавтор исследования.

«В этом случае сообщество фаготерапии сказало нам: «Это именно тот молоток, которого мы ждали»».