Nu, et nyt værktøj skabt af forskere ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University og Harvard Medical School (HMS) giver en løsning på dette problem i form af et sæt bakteriegener, der er udviklet til at opdage og registrere ændringer i vækst af forskellige populationer af bakterier over tid i tarmene på levende mus med encellet præcision, og kan fungere som en platform for komplekse, syntetisk-biologi-baseret diagnostik og terapi til forskellige anvendelser i tarmen. Undersøgelsen er offentliggjort i Naturkommunikation .
Systemet bruger et oscillerende genkredsløb, kaldet en repressilator, som en slags genetisk ur til måling af bakterievækst. Repressilatoren består af tre bakteriegener, der koder for tre proteiner (tetR, cl, og lacI), hver af dem blokerer ekspressionen af et af de andre proteiner. Generne er knyttet til en negativ feedback loop, så når koncentrationen af et af repressorproteinerne falder under et vist niveau, det protein, det havde undertrykt, udtrykkes, som blokerer ekspressionen af det tredje protein, og processen gentages cyklisk.
Når alle tre gener indsættes i et plasmid og introduceres i bakterier, antallet af afsluttede negative feedback loop -cykler kan tjene som en registrering af, hvor mange celledelinger bakterierne har gennemgået. Hver gang bakterierne deler sig, eventuelle repressorproteiner, der er til stede i deres cytoplasma, fortyndes, så deres koncentration falder gradvist og udløser ekspressionen af det næste protein i repressilatorcyklussen. Vigtigt, repressilatorcyklussen gentages efter 15,5 bakterielle generationer uanset hvor hurtigt eller langsomt bakterierne vokser. Dette gør det muligt at fungere som en objektiv måling af tid, meget gerne et ur eller et ur.
"Tænk, hvis du havde to mennesker iført to forskellige ure, og den anden hånd på den ene persons ur bevæger sig dobbelt så hurtigt som den andens, "forklarede første forfatter David Riglar, Ph.d., en tidligere postdoc ved Wyss Institute og HMS, der nu leder en forskningsgruppe som Sir Henry Dale Fellow ved Imperial College London. "Hvis du stoppede begge ure efter en time, de ville ikke blive enige om hvad klokken var, fordi deres måling af tid varierer baseret på hastigheden af den anden hånds bevægelse. I modsætning, vores repressilator er som et ur, der altid bevæger sig med samme hastighed, så uanset hvor mange forskellige mennesker der har en på, de vil alle give en konsekvent måling af tiden. Denne kvalitet giver os mulighed for mere præcist at studere bakteriers adfærd i tarmen. "
Forskerne koblede hvert af de tre repressorproteiner til et fluorescerende molekyle med forskellig farve, og udviklede en billeddannelsesarbejdsgang kaldet RINGS (Repressilator-based Inference of Growth på encellede niveauer) for at spore, hvilket protein der udtrykkes på forskellige tidspunkter under bakteriens vækst. "Når en bakteriekoloni vokser udad, repressilator kredsløbet skaber disse forskellige fluorescerende, træringlignende signaturer baseret på, hvilket repressorprotein der var aktivt i den enkelte bakterie, der startede kolonien, "sagde Riglar." De fluorescerende rings mønster registrerer, hvor mange repressilatorcyklusser der er sket siden væksten begyndte, og vi kan analysere dette mønster for at studere, hvordan vækstrater varierer mellem forskellige bakterier og i forskellige miljøer. "
Brug af RINGE, holdet var i stand til med succes at spore celledelinger i flere forskellige bakteriearter dyrket in vitro, og observerede, at længden af bakteriernes repressilatorcyklus forblev konsistent, når de blev dyrket på ekstraherede prøver af musetarm (for at simulere et komplekst mikromiljø) eller udsat for et antibiotikum (for at simulere stressbetingelser og inkonsekvente vækstmønstre).
For at evaluere repressilatorens ydeevne in vivo, holdet administrerede E. coli indeholdende repressilator -kredsløbet til mus oralt, analyserede derefter bakterier ekstraheret fra fækale prøver. Repressilatoren forblev aktiv i op til 16 dage efter introduktion, viser, at langsigtet oscillerende genekspression kunne opretholdes i tarmbakterier hos levende pattedyr. RINGS -analysen har med succes fundet ændringer i bakterielle vækstmønstre, og bakterier, hvis repressilator -kredsløb var i forskellige stadier, kunne "synkroniseres" ved at give musene en forbindelse i deres drikkevand, der stoppede repressilatorcyklussen på et givet stadie.
Endelig, forskerne testede repressilatorens evne til at opdage forskelle i bakterievæksthastigheder, der er blevet observeret som følge af tarmbetændelse. Mus fik en betændelsesfremkaldende forbindelse, efterfulgt af repressilator-belastede bakterier. Efter 15 timer, RINGS -analyse viste, at bakterierne fra mus med betændelse havde repressilatorer i et bredere spektrum af faser sammenlignet med bakterier fra kontrolmus, tyder på, at betændelse skaber et miljø, der driver uoverensstemmelser i bakterievækst, potentielt fører til ubalancer i tarmmikrobiomet.
Denne repressilator giver os mulighed for virkelig at undersøge forviklingerne ved bakteriel adfærd i den levende tarm, ikke kun i både sunde og syge stater, men også rumligt og tidsmæssigt. Det faktum, at vi kan synkronisere repressilatoren igen, når den allerede er i tarmen, samt vedligeholde det uden behov for at administrere selektive antibiotika, betyder også, at vi kan studere mikrobiomet i en mere naturlig tilstand med minimal afbrydelse. "
Pamela Silver, Ph.d., Kontaktforfatter, Core Faculty -medlem ved Wyss Institute, Elliot T. og Onie H. Adams Professor i biokemi og systembiologi ved HMS
Ud over at forstå dynamikken i mikrobiomet, repressilatoren låser potentialet for komplekse op, syntetisk-biologi-baseret diagnostik og terapi til den menneskelige tarm. Potentielle applikationer omfatter oprettelse af et system, der er programmeret til at starte en gentranskriptionskaskade på et bestemt tidspunkt i døgnrytmen, eller en diagnostik, der registrerer, hvor lang tid der er gået efter påvisning af en given biomarkør.
"Denne forskning løser ikke kun et specifikt problem i forbindelse med overvågning af dynamiske ændringer i mikrobiomfysiologi i den levende tarm, det giver en platform, der kan føre til helt nye former for diagnostik og endda tidsafhængig terapi. "sagde Wyss Founding Director Donald Ingber, M.D., Ph.d., som også er Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved HMS og vaskulærbiologiprogrammet på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
Nyt forsøg viser forbedret overlevelse for patienter med avanceret kolorektal BRAF-mutant kræft
Personer med IBS -symptomer vil sandsynligvis have lave niveauer af D -vitamin,
Er kvinder mere tilbøjelige til at udvikle lang COVID?
Sædmikrobiom afsløret med RNA -sekventering
Probiotika som adjuvant behandling til COVID-19-patienter
Forskeren beviser mikrobiomets rolle i fedme
Detaljeret kort over menneskelig tunge mikrobiom
En ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Cellerapporter i marts 2020 rapporterer brugen af avancerede og hurtige spektrale billeddannelsesteknikker til at udvikle et detaljeret kort over m
COVID-19:Sådan ser sygdommen ud
Med stigende information om COVID-19 sygdom samlet på første hånd, et mere præcist billede af de kliniske træk kommer sammen. Sådan viser COVID-19 sig Så hvordan starter det? Statsministerier for
Er DNA-baserede kostvaner og personlige medicinske fødevarer fremtiden for vægttab?
De fleste ved, at gener er arvet fra forældre, og at DNAet fra disse forældre kombineres for at skabe et individs unikke genetiske sammensætning. Dette bestemmer aspekter af fænotype som øjenfarve og