Бактерии-киборги проникают в раковые клетки

Естественные и искусственные клетки активно используются для различных биологических исследований; они имеют свои плюсы и минусы. При помощи естественных клеток можно реализовывать сложные задачи, но их способность к автономному воспроизводству заставляет сомневаться в их безопасности при использовании в биомедицине. Искусственные клетки, созданные из синтетических нереплицирующихся материалов, таких как полимеры или фосфолипиды, более примитивны и обладают меньшей метаболической сложностью, но их распространение гораздо проще контролировать.

Биоинженеры из Калифорнийского университета в Дэвисе и Академии Синика (Тайвань) устранили эти ограничения, объединив бактериальные клетки и синтетические полимеры. Гибридные бактерии, названные авторами Cyborg Cells (клетки-киборги), обладают сложными функциями естественных клеток, включая полноценный клеточный метаболизм, подвижность, текучесть мембран, функциональность мембранных белков, способность к синтезу белка, но не могут делиться. Чтобы сделать бактериальные клетки неспособными к размножению, обычно применяют методы генетической инженерии, однако они могут параллельно модифицировать различные аспекты клеточного метаболизма. При создании бактерий-киборгов деление клеток блокировали без глубокого вмешательства другие клеточные функции.

Для этого в цитоплазме прокариотических клеток кишечной палочки (Escherichia coli) авторы сконструировали синтетическую полимерную сеть из гидрогеля, которая подавляет репликацию бактерий, но сохраняет целостность генетического материала, функциональность интерфейсов клеточных мембран и активность метаболических путей. Неразлагаемый гидрогель с низкой биологической реактивностью проникал через бактериальную мембрану во время замораживания и оттаивания клеток. Затем мономеры гидрогеля сшивались с помощью ультрафиолетового света, который мало поглощался ДНК и другими биологическими макромолекулами.

Авторы показали, что клетки-киборги сохраняют высокую метаболическую активность до трех дней, что эквивалентно примерно 150 циклам деления естественных бактерий. Кроме того, клетки-киборги сохранили способность к экспрессии белков, а параметры состояния липидных мембран в них не отличались от таковых у «диких» бактерий. Однако анализ с помощью масс-спектрометрии показал, что бактерии-киборги имеют протеомный профиль, отличный от профиля немодифицированных E. coli. Образование гидрогеля изменяло состав белков, участвующих в поддержании гомеостаза, фолдинге белков, центральном метаболизме и посттрансляционных модификациях.

В части бактерий гидрогель не образовывался. Для удаления этих клеток и получения чистой популяции клеток-киборгов авторы использовали антибиотик карбенициллин, выяснив, что клетки-киборги на него не реагировали. Полученные клетки стали более устойчивы не только к антибиотикам, но и к другим стрессовым факторам, губительным для обычных бактерий. Например, они выдерживали воздействие перекисью водорода в критичных концентрациях в течение трех часов.

Авторы продемонстрировали терапевтический потенциал киборгов. Так, они могли проникать в раковые клетки in vitro. После экспрессии белка инвазина, отвечающего у бактерий Yersinia pseudotuberculosis за адгезию и инвазию в клетки млекопитающих, клетки-киборги проникали в клеточные линии нейробластомы и аденокарциномы. В дальнейшем исследователи планируют повысить эффективность инвазии клеток-киборгов путем точной настройки количества экспрессируемого инвазина и добавлением поверхностных белков, специфичных к онкоантигенам.

Результаты проведенного исследования показывают перспективность создания гибридных клеточных платформ. Гибриды в состоянии квазижизни в течение ограниченного периода времени сохраняют большинство функций обычных бактерий, а блокировка репликации делает их безопасными. Благодаря уникальному набору характеристик клеток-киборгов, они могут стать новым классом терапевтических систем, занимающих промежуточное положение между классическими синтетическими материалами и живыми клеточными системами.

«Борги» ассимилируют чужие гены