В более ранних публикациях (здесь и здесь) я рассказывал о некоторых направлениях исследований, связанных с инженерными разработками на основе клеточной биологии, и о других проектах, в том числе, генно-инженерных, объединяемых новомодным термином «wetware» (по аналогии с hardware и software). Я сосредотачивался на переориентации клеточного метаболизма с получением на выходе полезных материалов или энергии. На фоне этих выкладок потерялась еще одна интереснейшая тема – биохимическая коммуникация и возможности ее применения. Уважаемые читатели Хабра наверняка согласятся, что в системе, предназначенной для управляемого обращения с информацией, важны не только ввод/вывод, хранение и обработка данных, но и передача этих данных, то есть, коммуникация.
Начать стоит с упоминания о чувстве кворума (quorum sensing) – это механизм биохимической коммуникации, особенно важный в жизнедеятельности бактериальных колоний. Бактерии обмениваются сигналами, регулирующими жизненно важные процессы: образование биопленок, захват ДНК, биолюминесценция и пр. Чувство кворума наблюдается преимущественно у бактерий, но схожие явления характерны и для других организмов: саранчи, пчел, муравьев, сельди. У бактерий чувство кворума сугубо биохимическое, от концентрации бактерий в культуре зависит поведение всей колонии. Но чувством кворума обладают не только бактерии, но и бактериофаги. Более того, бактериофаги способны «подслушивать» коммуникацию бактерий, поддерживая при этом собственную межвирусную коммуникацию.
На русском языке уже достаточно подробно раскрыта тема биохимической коммуникации между бактериофагами, которую я напомню здесь в качестве контекста. Бактериофаги — это обширный класс вирусов, поражающих только бактерии и, следовательно, неопасных для человека. В начале XX века бактериофагов активно изучали как эффективное средство от серьезных бактериальных инфекций, в частности, от дизентерии.
Лечить бактериальные инфекции при помощи бактериофагов впервые попытался Феликс д’Эррель из Пастеровского института в начале 1920-х; именно он и открыл этот класс вирусов, которые инфицировали и убивали бактерий. Поскольку в начале XX века еще не были известны ни антибиотики (пенициллин открыл Александер Флеминг в 1942 году), ни сульфаниламиды (серосодержащие соединения, на основе которых впоследствии был получен стрептоцид, впервые использовал для экстренного лечения столбняка Герхард Домагк в 1938 году) – находка д’Эрреля была революционной. В Пастеровском институте д’Эррель сотрудничал с советским (грузинским) ученым Георгием Григорьевичем Элиавой, который в 1933 году вернулся в Тбилиси и основал Тбилисский НИИ вакцин и сывороток М3 СССР. Там фагов выделяли из окружающей следы, выращивали в бактериальной культуре и очищали при помощи технологий, доступных в то время. В течение последующих десятилетий этот институт стал крупнейшим в мире центром по изучению и производству фагов. В частности, были достигнуты успехи в лечении дизентерии.
Непрерывная традиция применения фагов для лечения бактериальных инфекций от 1930-х до наших дней сохранилась только в Грузии. Грузинский подход связан с составлением фаговых «коктейлей», то есть, в сочетании нескольких видов фагов для подавления болезни. Именно благодаря усилиям Тбилисского института удалось не допустить эпидемии холеры в Сталинграде в 1942 году; кроме того, при отсутствии антибиотиков фаги были единственным доступным средством антибактериальной фронтовой медицины.
Предметным изучением бактериофагов занимаются и в Европе, а именно в Бельгии (Военный госпиталь Астрид, Брюссель), во Франции (эту тему продолжает прорабатывать Пастеровский институт), Швейцарии (Высшая техническая школа, Цюрих) и Германии (университетская клиника Шарите, Берлин).
На практике препараты на основе бактериофагов проиграли конкуренцию антибиотикам, так как производство антибиотиков гораздо дешевле, а бактериофагов нужно не только культивировать, но и тщательно составлять из них «коктейли». Но эволюция не стоит на месте, и в настоящее время появляются все новые штаммы бактерий, резистентные к антибиотикам, что вновь актуализирует применение бактериофагов в медицине. Так, гели на основе бактериофагов удобны для щадящего лечения гнойных заболеваний слизистой. Итак, благодаря внушительной истории изучения бактериофагов и массиву серьезных научных наработок, удалось открыть наиболее интересное свойство бактериофагов: их чувство кворума, позволяющее регулировать жизнедеятельность бактериальных колоний. Именно это свойство превращает бактериофагов в мощный инструмент для потенциального применения в wetware и даже открывает возможности для подобной вирусной сборки микросхем – и к этому я вернусь ниже. Пока давайте разберемся в ключевых механизмах жизнедеятельности бактериофагов, в том, зачем вирусам понадобилась коммуникация.
Arbitrium
В 2017 году коммуникацию между бактериофагами открыл Ротем Сорек, микробиолог из института им. Вейцмана в Реховоте. Группа Сорека изучала культуру сенной палочки. Поскольку давно было известно о чувстве кворума у этих бактерий, микробиологи пытались выявить сигналы, при помощи которых инфицированная бактерия предупреждает собратьев о нападении бактериофагов. Предполагалось, что бактериофаги просто улавливают химические сигналы бактерий и отслеживают динамику роста бактерий в культуре. Но ситуация оказалась значительно сложнее. Группа Сорека выяснила, что бактериофаги phi3T могут выделять короткую молекулу, состоящую из 6 пептидов, которая кодируется именно геномом вируса, а не геномом бактерии. Это – сигнальное средство бактериофагов, которое было названо «арбитриум», что в переводе с латыни означает «решение».
Арбитриум стимулирует переход бактериофагов в режим лизиса (агрессивное поведение): вирус, встроившись в бактериальный геном, переориентирует бактериальный геном на производство таких же вирусов, а затем, истощив ресурсы клетки, уничтожает ее (лизис). Другой вариант поведения – встроиться в бактериальный геном и «заснуть» до тех пор, пока бактерии в культуре не размножатся (лизогения). В таком случае вирусам останется дождаться, пока другие бактериофаги не начнут выделять арбитриум, и «спящие» вирусы смогут перейти к лизису.
К настоящему времени известно более 100 видов белков, играющих роль арбитриума у разных бактериофагов. Таким образом, арбитриум – это целый эволюционный механизм, предназначенный для химической коммуникации с представителями строго своего вида.
Существуют и другие белки, аналогичные арбитриуму, но предназначенные уже не для внутривидовой, а для межвидовой коммуникации. Так, с их помощью бактериофаги могут наращивать синтез биопленки, привлекая в нее новые организмы (в том числе, грибы), либо ограничивать рост бактериальной колонии.
Наиболее прямолинейные выводы, на которые наводит столь необычное открытие, связаны с антибактериальной терапией. Действительно, о безопасности бактериофагов для человека было известно еще по результатам тех исследований, что проводились в Пастеровском институте. Если бы удалось синтезировать арбитриум-подобные белки, которые переводили бы различные вирусы в латентное состояние. Тем не менее, биохимические вмешательства с применением бактериофагов могут быть гораздо интереснее, если задействовать их для CRISPR-подобных операций или для передачи «сборочных инструкций». В том числе, такие возможности актуальны в производстве микрочипов на фоне их продолжающейся миниатюризации.
Сборочные бактериофаги
Промежуточный шаг, предшествующий использованию бактериофагов в сборке электроники, связан с успешной интеграцией (металлических) наночастиц в оболочку бактериофагов. Поскольку бактериофаги избирательно атакуют строго определенные виды бактерий, в Новом Орлеане удалось превратить бактериофагов в наноботов, оснащенных магнитным ядром: в бактериофага внедряли атомы железа или кобальта, бактериофаг встраивался в бактерию, после чего бактерию можно было намагничивать. В результате бактерий удавалось не только выявлять в минимальных концентрациях, не обнаруживаемых традиционными химическими методами, но и извлекать из раствора при помощи магнита. Эти исследования, выполненные в 2018 году, стали настоящим откровением: оказалось, что при помощи бактериофагов в культуру можно внедрять атомы металлов и кремния. Так открывается путь к совершенно новому биотехнологическому направлению.
Arbitrium-подобная коммуникация обеспечивает «полуавтоматическое» управление этими процессами. Получив задачу, бактериофаги самостоятельно координируют работу в бактериальной культуре.
Тонкая работа с бактериофагами ведется в Массачусетском технологическом институте (MIT) в лаборатории Анджелы Бельчер (Angela Belcher). Одним из наиболее заметных ее успехов является прототип вирусной батареи. бактериофаги, нагруженные атомами кобальта (как вы помните, атомы кобальта использовались и в новоорлеанском эксперименте) могут выстраивать в бактериальной культуре тончайшие металлические нити, по которым в дальнейшем можно пустить ток. Генетически измененные бактериофаги могут сами выстраивать себе оболочку из атомов металла.
Другое направление работы Бельчер связано с бактериофагами М13, которых удалось заставить заносить мельчайшие фрагменты нанотрубок в раковые клетки, в частности, для диагностики рака яичников. Бактериофаг М13 метит злокачественные клетки, которые затем подсвечиваются на томографе. Данный диагностический метод позволяет выявлять опухоль на самых ранних этапах развития, значительно выигрывая у любых химических методов.
Таким образом, бактериальную культуру можно использовать как шаблон для сборки. Бактериофаг, нагруженный атомами металла или кремния, будет заражать строго тех бактерий, к заражению которых он приспособлен. Соответственно, при помощи отсеков с бактериями можно выложить структуру будущего микрочипа, после чего запустить на такой носитель металлизированных или кремнистых бактериофагов.
Подобные исследования уже около 15 лет назад позволили атом за атомом собрать на бактериальной основе кристаллы с заданными свойствами, причем, с нанометровой точностью. Но о сборке полноценных микросхем речь пока не идет. Более скромная промежуточная цель – собрать при помощи бактериофагов простейшие сенсоры, которые можно было бы подключить к заводской плате. Тем не менее, сложно отказаться от технологии, которая позволила бы собирать микрочипы в питательном растворе, без каких-либо лазеров, травления, высоких температур и тщательного подбора газовых составов.
Принцип работы следующий: раствор с бактериофагами наливается на кристаллический полупроводник. Затем чип ополаскивается. Большинство вирусов (но не все) при этом смываются. Те, что удержались, удаляются с чипа и помещаются в бактериальную культуру, приступая к ее инфицированию. Затем эта культура вновь наливается на чип и смывается более агрессивным агентом (более кислотным или более щелочным). После нескольких итераций на подложке закрепляется такое поколение вирусов, чьи пептидные оболочки очень крепко сцеплены с полупроводником.
Фактически, это акт направленной эволюции. Бельчер удалось вывести бактериофагов, которые успешно закрепляют на подложке фосфид индия и арсенид галлия; на основе таких соединений можно было бы делать чипы для высокочастотной коммуникации.
Более того, тем же методом Бельчер удалось получить квантовые точки из сульфида цинка и сульфида кадмия, а также магнитные материалы на основе соединений кадмия и платины с железом. Бактериофаги настолько избирательны, что им не составляет труда собрать трехмерный кристалл нужной формы, а также многослойную интерметаллическую пленку. Если предположить, что в одной квантовой точке можно хранить 1 бит информации, то квадратный сантиметр такой биопленки мог бы вместить 30 Гб данных.
Остается дождаться, удастся ли при помощи генетической инженерии создавать не только бактериофагов с заданными свойствами, но и целые эволюционные каскады, которые позволили бы довести подобную вирусную сборку до промышленных масштабов. Наиболее слабым местом описанных процессов является их слабая контролируемость и требования к стерильности производства. Кроме того, сборочная технология может портиться из-за возникновения случайных мутаций в культуре. Тем не менее, надеюсь, что представленная здесь избирательность бактериофагов произвела на вас не меньшее впечатление, чем на меня, а продолжающаяся миниатюризация транзисторов до нанометровых размеров приведет к повышению востребованности и дальнейшему развитию перечисленных технологий.