科学者が生きた DNA センサーを開発 | BRILink と BRI エージェント

感染症の早期発見は治療成功の鍵となりますが、症状が現れるまで感染に気づかないことも少なくありません。病気の発症前に体が感染性病原体の存在を検出できたらどうなるでしょうか?

合成生物学エンジニアはこれを実現する方法を模索しています。

合成生物学とは、新しい生物学的部位やシステムの設計と作成、および特定の目的のための既存の天然の生物学的システムの再設計です。

病気の早期発見を念頭に、ウィスコンシン大学の合成生物学者は、感染性病原体の DNA 断片を探し出して検出する細菌を設計し、改良しました。病原体の DNA は症状が現れる前でも検出できるため、このシステムは、迅速な検出が治療の成功に不可欠な敗血症などの生命を脅かす病気の早期発見に有望です。

この研究は、生化学、細菌学、化学生物工学の助教授であるオフィーリア・ベンチュレリ博士が主導し、研究室で実施されました。この研究室は、医学、農業、環境の問題を解決するための微生物制御システムの開発を専門としています。主な研究分野は、人間のマイクロバイオームが健康と病気にどのように影響するか、そしてさまざまな疾患を治療するためにどのように修正できるかです。この研究は、ポスドク研究員のユ・ユ・チェンと大学院生のチェン・ジェンイが共同で主導しました。

細菌の DNA センサーを設計するために、ベンチュレッリ氏のチームは細菌全般の自然な能力を活用しました。 枯草菌 、バチルス・サブチリス）を使用して、環境から DNA を取得します。

一連の遺伝子が組み込まれている バチルス・サブチリス ゲノム。この「遺伝プログラム」には、標的生物に一致する特定のDNA配列の領域が含まれています。研究者はこれらの領域を「カセット」と呼んでいます。これは、識別対象のさまざまな生物のDNA配列を簡単に変更できるように設計されているためです。カセット領域は、 バチルス・サブチリス ターゲット配列を見つけて細胞に取り込みます。プログラムが起動すると、一連のイベントが指示され、最終的に細菌センサーがターゲット生物を検出したことを示す蛍光信号が生成されます。

最初の実験の一つで、研究チームは細菌のDNA片を および大腸菌 カセットエリアに入り、センサーの細菌検出能力をテストする および大腸菌 DNAを溶液に加えると、 および大腸菌 DNA は、そのパートナーと出会った細胞に挿入されます。 および大腸菌 DNA「カセット」。その後、特定の細菌タンパク質が2つの配列を交換し、遺伝子プログラムを活性化します。遺伝子プログラムは、緑色蛍光タンパク質（GFP）の生成を指示し、強い蛍光信号を生成します。 および大腸菌 サンプルには DNA が存在します。

DNAセンサーが検出できることを実証 および大腸菌 ウィスコンシン大学のDNAチームは、このシステムのヒト病原体識別能力をテストした。さらに実験を行った結果、 バチルス・サブチリス DNAセンサーは、さまざまなヒト病原細菌を検出するようにプログラムできます。ヒト腸内病原菌、 サルモネラチフス菌 、S ティピムリウム）、およびヒトの皮膚および呼吸器系の病原体 黄色ブドウ球菌 、黄色ブドウ球菌）が検出された。 バチルス・サブチリス センサーDNA。

「このセンサーがヒト病原体を検出できる能力は、多くの革新的な診断および治療アプローチの可能性を切り開きます」と、この研究に資金提供した国立生物医学画像工学研究所のプログラムディレクター、ジェルモント・チェン博士は述べています。「たとえば、このシステムは、広域抗生物質ではなく特定の抗生物質を使用して感染症を迅速に診断および治療するために使用できます。これは、細菌培養の迅速な結果を待つ時間によって治療が成功する可能性が低くなる、敗血症などの高リスク感染症に特に役立ちます。」

この研究室は、マイクロバイオーム（ヒトの腸内や体中に生息し、健康や病気においてヒトの細胞と相互作用する何百万もの細菌）に特に興味を持っています。

ベンチュレッリ氏は、人間の微生物叢におけるセンサーの潜在的利用について述べている。「この研究は、人体の生態系に無害に生息し、病気の予防として機能するセンサーを設計する可能性を切り開きます。例えば、腸内で増殖する有害な細菌のDNAの存在を検出できるかもしれません。 バチルス・サブチリス そこに設置されたセンサーは、病気の進行に関する早期の信号を送ることで早期治療を可能にします。」

DNA センサーの設計に成功したチームは現在、この技術を実用化するために必要な改良に注力しています。これには効率性の向上も含まれます。 バチルス・サブチリス 周囲の環境から DNA を捕捉し、低濃度の病原体 DNA を検出する効率を高めます。長期的な目標には、感受性の高い細菌が病原体を識別できるようにするより複雑な遺伝子プログラムの開発や、感染症と迅速に戦うために必要な治療用タンパク質の作成が含まれます。

この研究はNature Communications誌に報告されている。¹この研究は、国立生物医学画像・生物工学研究所の助成金 R01EB030340 および国防高等研究計画局 (DARPA) の助成金 HR0011-19-2-0002 によって支援されました。

、著者：トーマス・ジョンソン博士。

1. 多重DNAを検出する細菌のプログラミング。Cheng YY、Chen Z、Cao X、Ross TD、Falbell TG、Burton BM、Venturelli OS。Clean Commune。2023年4月10日;14(1):2001。doi:10.1038/s41467-023-37582-x。PMID: 37037805