Bakterije naseljavaju gotovo svako stanište na Zemlji, uključujući unutar i na našim telima. Razumevanje i inženjering bakterija može dovesti do novih metoda za dijagnostikovanje, lečenje i prevenciju infekcija. Pored toga, predstavlja mogućnosti za zaštitu useva od bolesti i stvaranje održivih fabrika ćelija za hemijsku proizvodnju, smanjujući uticaj na životnu sredinu – samo neke od mnogih prednosti za društvo.
Da bi otkrili ove prednosti, naučnicima je potrebna sposobnost da manipulišu genetskim sadržajem ovih bakterija. Međutim, dugotrajno usko grlo u bakterijama genetskog inženjeringa bila je efikasna transformacija DNK, proces uvođenja strane DNK u ćeliju. Ovo je ograničilo njegovu primenu na samo mali podskup mikroba.
Glavna prepreka je prisustvo sistema restriktivnih modifikacija. Ovi zaštitni sistemi obeležavaju bakterijski genom jedinstvenim obrascem metilacije i uništavaju dolazeću stranu DNK kojoj nedostaje ovaj obrazac.
Prevazilaženje ove barijere zahteva dodavanje obrasca bakterije u DNK, proces koji je specifičan za soj i uključuje višestruke DNK metiltransferaze. Ovi enzimi vezuju metil grupe, male hemijske grupe koje sadrže jedan atom ugljenika vezan za tri atoma vodonika, za baze DNK. Trenutne metode za repliciranje ili zaobilaženje ovih obrazaca metilacije DNK su radno intenzivne i nisu lako skalabilne, što zahteva nove pristupe.
Rešavajući ovaj izazov, tim predvođen Helmholcovim institutom za istraživanje infekcija zasnovanim na RNK (HIRI), sajtom Braunšvajg Helmholc centra za istraživanje infekcija (HZI) u saradnji sa Julius-Makimilians-Universitat Vurzburg (JMU), je predstavio novi pristup rekreiranju takvih obrazaca i poboljšanju transformacije DNK. Nazvali su ga IMPRINT, što je skraćenica za brzo imitiranje uzoraka metilacije U TKSTL-u.
Kao deo ove metode, istraživači koriste sistem transkripcije-translacije bez ćelija (TKSTL) – tečnu mešavinu koja može da proizvede ribonukleinske kiseline (RNK) i proteine iz dodate DNK – da bi izrazili specifičan skup DNK metiltransferaza za bakteriju. Enzimi se zatim koriste za metilaciju DNK pre njenog unošenja u ciljnu bakteriju.
„IMPRINT predstavlja potpuno novu upotrebu TKSTL. Dok se TKSTL široko koristi u različite svrhe, uključujući proizvodnju proteina koji se teško ekspresuju ili kao pristupačne dijagnostičke alate, on se ranije nije koristio za prevazilaženje prepreka transformaciji DNK u bakterijama“, kaže Chase Beisel, šef odeljenja za RNA sintetičku biologiju na HIRI i profesor na Medicinskom fakultetu JMU. On je predvodio studiju u saradnji sa istraživačima sa Državnog univerziteta Severne Karoline (NC State) u Raleighu, SAD. Njihovi nalazi su objavljeni danas u časopisu Molecular Cell.
U poređenju sa postojećim metodama, IMPRINT nudi brzinu i jednostavnost. „Sadašnji pristupi zahtevaju ili naporno prečišćavanje pojedinačnih DNK metiltransferaza ili njihovo izražavanje u E. coli, što se često pokazuje citotoksičnim“, kaže Džastin M. Vento, prvi autor studije koji je završio posao kao doktor nauka. student na Odseku za hemijsko i biomolekularno inženjerstvo u NC State. „Ove metode mogu trajati danima do nedeljama i samo rekonstituišu delić obrasca metilacije bakterije.“
Istraživači su pokazali da IMPRINT može da izrazi raznovrstan niz DNK metiltransferaza. Štaviše, ovi enzimi se mogu kombinovati da bi se ponovo stvorili složeni obrasci metilacije. Ovo je značajno poboljšalo transformaciju DNK u bakterijama kao što su patogen salmonela i probiotičke bifidobakterije, uključujući soj ove poslednje, manje proučavane bakterije sa izazovom za transformaciju.
Potencijalne primene u savremenoj medicini i istraživanju su opsežne: IMPRINT može poboljšati transformaciju DNK u kliničkim izolatima bakterijskih patogena i u bakterijama koje se bore protiv infekcija, kao što su komenzalne bakterije ili one koje proizvode antibakterijska jedinjenja. Genetska modifikacija ovih mikroba mogla bi dovesti do novih klasa antibiotika i terapija zasnovanih na ćelijama.
Istraživački tim ima za cilj da proširi upotrebu IMPRINT-a. „Želimo da napravimo širok spektar bakterijskih patogena koji su genetski prihvatljivi za istraživanje“, kaže Beisel. On se nada da će IMPRINT biti široko prihvaćen od strane istraživačke zajednice.
„Do sada su određene bakterije bile favorizovane kao modeli jednostavno zato što je njima lakše genetski manipulisati. Nadamo se da će, korišćenjem IMPRINT-a, istraživači moći da se fokusiraju na najvažnije bakterijske sojeve, kao što su oni sa povećanom virulencijom ili antibiotici. otpora“, zaključuje Bejsel.
