W publikacji, która pojawiła się w ostatnim numerze czasopisma "Cell Host and Microbe", zastosowano biologię syntetyczną – dynamicznie rozwijającą się interdyscyplinarną dziedzinę nauki będącą połączeniem biologii molekularnej i inżynierii, której celem jest projektowanie i tworzenie sztucznych systemów biologicznych. Nowa gałąź biotechnologii wciąż budzi wiele kontrowersji ze względu na niebezpieczeństwo związane z niekontrolowanym rozprzestrzenianiem się mikroorganizmów syntetycznych, a w konsekwencji – ich krzyżowania z gatunkami naturalnie występującymi w środowisku, jak również możliwością wykorzystania nowo zaprojektowanych mikroorganizmów przez bioterrorystów.

Bakterie na zamówienie

W swoich badaniach naukowcy udowadniają, że niektóre istniejące hipotezy dotyczące tego, jak bakterie reagują na antybiotyki, są nie do końca prawidłowe. - Nasze badania pokazują, że przy użyciu zmodyfikowanych organizmów można będzie lepiej zrozumieć, w jaki sposób antybiotyki działają w rzeczywistości. Uzyskane przez nas wyniki pokazują, że niektóre z popularnych założeń mogą być mylące - mówi James Collins, profesor inżynierii medycznej z Institute for Medical Engineering and Science (IMES) na MIT i współautor badań.

Większość badań nad tym, jak działają antybiotyki, przeprowadza się na komórkach bakteryjnych hodowanych w warunkach laboratoryjnych (in vitro), należy jednak pamiętać, że ich efekty mogą znacznie różnić się, kiedy leki są przyjęte przez organizmy żywe (in vivo). Stężenie zastosowanego antybiotyku ulega w organizmie ciągłym zmianom oraz różni się w zależności od tkanki, do której ma on dotrzeć. Ponadto, skomplikowana fizjologia organizmu sprawia, że efekt kliniczny różni się znacznie od skutków zastosowania antybiotyku w warunkach laboratoryjnych.

Aby umożliwić badanie antybiotyków w warunkach bardziej zbliżonych do rzeczywistych, naukowcy pod przewodnictwem profesora Collinsa zmodyfikowali szczep bakterii E. coli PAS133, wbudowując jej „przełącznik” genetyczny (ang. toggle switch), który stanowiły pochodzące z faga lambda dwa geny - cl i Cro, odpowiadające za przechodzenie wirusa pomiędzy stadium litycznym i lizogennym. Wektor został wbudowany w obrębie genu kodującego enzym β-galaktozydazę (lacZ). Naukowcy zastosowali ekspozycję bakterii na działanie ATC (anhydrotetracykliny), która stymuluje przejście z lacZ- do lacZ+ w komórkach, które uległy wcześniej co najmniej 3-4 podziałom, co pozwoliło na rozróżnienie komórek replikująych się od tych, które nie dzieliły się, a tym samym określeniu proporcji poszczególnych komórek podczas eksperymentu.

Aby potwierdzić swoją hipotezę, że po ekspozycji na ATC E. coli PAS133 przechodzi z lacZ- do lacZ+ jedynie w replikujących się komórkach, badacze porównali odpowiedź na tę substancję w komórkach w logarytmicznej oraz w stacjonarnej fazie wzrostu. Wyniki potwierdziły ich przypuszczenia.

Działanie antybiotyków in vivo

Wiele wcześniejszych badań przeprowadzonych w bakteriach hodowanych w warunkach laboratoryjnych wykazało, że większość antybiotyków działa lepiej na komórkach, które aktywnie replikują się, podczas gdy komórki nieulegające podziałom są o wiele trudniejsze do zabicia. Naukowcy z MIT wszczepili myszom małe implanty ortopedyczne pokryte zaprojektowanymi bakteriami E. coli, co miało imitować infekcje występujące w miejscach wprowadzenia implantów. Następnie myszom podano antybiotyk -  lewofloksacynę, stosowany w przypadku zakażeń skóry i tkanek miękkich. Kolejnym krokiem było pobranie próbek komórek pochodzących z miejsca infekcji i użycie ATC – cząsteczki powodującej uaktywnienie molekularnego przełączenika, ale tylko w komórkach, które uległy wcześniej procesom podziału.

Pomimo wcześniejszych przypuszczeń, że przewlekłe infekcje składają się głównie z bakterii, które nie dzielą się, naukowcy zauważyli, że przed leczeniem antybiotykami około połowa bakterii nadal namnażała się. W przeciwieństwie do badań przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych, lewofloksacyna okazała się wysoce skuteczna wobec komórek, które się nie dzielą. Ponadto, naukowcy zauważyli, że odsetek replikujących się komórek wzrasta po leczeniu antybiotykiem, co sugeruje, że lewofloksacyna nie zabija wszystkich dzielących się bakterii. Badaczy z MIT zaprzeczyli ponadto hipotezie wielu naukowców, że bakterie wywołujące zakaźenia przewlekłe są wysoce oporne na działanie antybiotyków – nowe badanie pokazało, że bakterie te nadal były podatne na antybiotyki, jeśli podano w wystarczająco dużych dawkach.

Wciąż wiele niewiadomych

- Myślę, że syntetyczne narzędzia biologiczne mogłyby być użyteczne w opracowywaniu antybiotyków. Dzięki nim możemy nie tylko ocenić, czy lek rzeczywiście dociera do szkodliwych drobnoustrojów, ale również sprawdzić skuteczność i prawdziwe działanie antybiotyku w miejscu infekcji - wyjaśnia Collins. Naukowiec dodaje, że zastosowany przez jego zespół w komórkach E. coli przełącznik genetyczny można łatwo zastosować również w innych gatunkach bakterii, a także mógłby być zaprojektowany do badania innych zjawisk, takich jak oddziaływanie bakterii z komórkami układu odpornościowego w miejscu zakażenia. Nowa metoda również być wykorzystana do badania szczególnie trudnych do usunięcia biofilmów bakteryjnych, oraz innych patogenów, takich jak grzyby.