29 Новаторське дослідження науковців з Каліфорнійського університету створило генетично модифіковані кишкові бактерії, здатні ефективно розкладати метилртуть – потужний нейротоксин, що міститься в морепродуктах, відкриваючи шлях до безпечнішого споживання риби без зміни харчових звичок.
Проблема метилртуті в морепродуктах
Метилртуть є органічною формою ртуті, що має високу токсичність і здатність накопичуватися у водних харчових ланцюгах. Вона потрапляє у водойми внаслідок промислової діяльності, зокрема спалювання вугілля та кустарного видобутку золота.
У водному середовищі неорганічна ртуть піддається мікробіологічному метилюванню, перетворюючись на метилртуть. Ця форма легко проникає в біологічні системи і концентрується на вищих трофічних рівнях. Внаслідок цього хижі риби, такі як блакитний тунець, містять найбільші концентрації цієї токсичної сполуки.
Споживання забрудненої риби становить особливу небезпеку для вагітних жінок та плодів, що розвиваються. Метилртуть спричиняє значні ризики для розвитку нервової системи, проте повністю уникнути її впливу лише за допомогою дієтичних обмежень складно.
Риба є важливим джерелом поживних речовин, тому відмова від морепродуктів має власні негативні наслідки для здоров’я. Ця дилема спонукала дослідників шукати інноваційні біологічні методи для вирішення проблеми.
Інноваційний підхід до детоксикації
Науковці з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Інституту океанографії Скріппса в Сан-Дієго застосували методи синтетичної біології для створення унікального біологічного рішення.
Вони обрали Bacteroides thetaiotaomicron – звичайну бактерію, яка природно поширена в товстому кишечнику людини, як організм-шасі для генетичних маніпуляцій. Ця бактерія була генетично модифікована шляхом введення послідовностей ДНК, що кодують ферменти детоксикації ртуті.
“Гени ферментів були отримані від стійких до ртуті ґрунтових бактерій, що природно здатні нейтралізувати токсичні форми ртуті”, – пояснюють дослідники. Ця трансформація наділила B. thetaiotaomicron новою здатністю перетворювати метилртуть на менш токсичні форми, які легше виводяться з організму.
Початкові дослідження in vitro продемонстрували швидкий та ефективний кліренс метилртуті. Це підтвердило, що введені гени функціонально експресуються, а їхні ферментативні системи активно працюють у модифікованому мікроорганізмі.
Експериментальні результати на лабораторних тваринах
Після успішних випробувань у лабораторних умовах дослідники перейшли до експериментів на мишачих моделях. У першій серії дослідів нативний мікробіом кишечника мишей був замінений на сконструйовані бактерії. Потім тваринам вводили разові дози метилртуті через пероральний зонд.
Результати виявились вражаючими. Концентрація метилртуті в кишечнику різко знизилася протягом перших трьох годин і продовжувала зменшуватися протягом наступних чотирьох днів. Це зниження корелювало зі значним зменшенням рівнів метилртуті в периферичних тканинах.
Такі результати свідчать, що детоксикаційна здатність модифікованих бактерій є достатньою для перехоплення метилртуті до її системного всмоктування. Це запобігає потраплянню токсину до життєво важливих органів, таких як мозок і печінка.
Наступна серія експериментів моделювала реальний режим харчування. Лабораторних тварин годували раціоном, збагаченим блакитним тунцем – видом, відомим високим вмістом ртуті. Незважаючи на постійний вплив метилртуті з їжею, у мишей із генетично модифікованими кишковими бактеріями спостерігалося:
- Менша затримка ртуті в кишечнику
- Зменшення відкладення метилртуті в тканинах печінки
- Суттєве зниження накопичення токсину в тканинах головного мозку
Особливе значення для вагітних
Особливу увагу дослідники приділили вивченню захисних ефектів у вагітних мишей. Ця група представляє особливо чутливу когорту через вразливість плодів, що розвиваються, до нейротоксичних уражень.
У вагітних мишей, що отримували модифікований мікробіом, спостерігалося значне зниження вмісту ртуті як у материнських, так і в ембріональних тканинах. “Гістологічні дослідження виявили зменшення кількості маркерів нейротоксичності, спричиненої ртуттю, у мозку плоду”, – підкреслюють автори дослідження.
Ці дані висвітлюють потенціал мікробіомної інженерії для захисту від небезпек, пов’язаних із пренатальним впливом токсинів навколишнього середовища. Це має глибокі наслідки для медичних втручань, спрямованих на захист вразливих груп населення.
Механізм детоксикації
Ключовим механізмом зниження токсичності є здатність генетично модифікованих кишкових бактерій до біотрансформації метилртуті до того, як вона перетне кишковий бар’єр.
Модифіковані мікроорганізми перетворюють метилртуть на менш абсорбовані та менш біологічно шкідливі похідні. Це означає, що сконструйовані мікроби ефективно виконують функцію біоремедіації безпосередньо в травній системі хазяїна.
Така стратегія дозволяє обійти загальну проблему високої біодоступності та системної стійкості метилртуті, що є фундаментальною зміною в управлінні впливом харчових токсинів.
Перспективи практичного застосування
Важливо, що захисні ефекти спостерігалися не лише при повній заміні мікробіому, але й при використанні модифікованих бактерій як пробіотичних добавок.
Коли миші з інтактним мікробіомом отримували сконструйовані бактерії через пробіотичні препарати, детоксикаційні ефекти зберігалися. Це значно зменшувало накопичення метилртуті навіть за умови споживання забрудненого тунця.
“Цей висновок є особливо багатообіцяючим, оскільки доставка пробіотиків може слугувати практичним і неінвазивним втручанням для зменшення токсичності ртуті в організмі людини”, – зазначають дослідники.
Крім того, експерименти показали, що підхід ефективний для різних видів риби. Харчова метилртуть з лосося, який за своєю природою містить менше ртуті, ніж блакитний тунець, також успішно детоксикувалася за допомогою сконструйованих бактерій.
Перспективи для здоров’я людини
Хоча дослідження проводилося на мишах, наслідки для здоров’я людини є багатообіцяючими. Bacteroides широко поширені в кишечнику людини та піддаються генетичним маніпуляціям, що робить цей підхід потенційно застосовним для людей.
Автори наголошують на необхідності подальших досліджень для оптимізації бактеріальної ефективності та забезпечення безпеки у клінічних випробуваннях. Для просування цієї мікробної терапії від лабораторії до клінічного застосування буде необхідне додаткове фінансування та міждисциплінарна співпраця.
У майбутньому дослідники передбачають можливість регулярного вживання пробіотиків, що містять сконструйовані кишкові бактерії, як засобу захисту від метилртуті. Це особливо важливо для вагітних жінок, які могли б отримати додатковий захист для себе та своїх дітей.
Такі інновації дозволять захистити неврологічний розвиток без необхідності радикальних змін у раціоні харчування. Це збереже як поживні переваги морепродуктів, так і культурні традиції, пов’язані з їх споживанням.
Висновки та значення дослідження
Це дослідження демонструє перше синтетичне біологічне рішення для боротьби з токсичністю метилртуті через мікробіом людини. Воно є прикладом передових досягнень мікробіомної інженерії, що поєднує науку про навколишнє середовище, молекулярну біологію та клінічне застосування.
Використання мікробних екосистем всередині людини як динамічних біореакторів для нейтралізації небезпечних сполук прокладає новий шлях у профілактичній медицині та відновленні довкілля.
У разі успіху на людях цей підхід може революціонізувати дієтичні рекомендації та управління ризиками впливу токсинів навколишнього середовища в масштабах популяції, даючи надію на більш безпечне споживання морепродуктів у всьому світі, попри постійне забруднення довкілля.
