Et genetisk signaloverførselssystem til tarmmikrobiomet

Mere end 1, 000 bakteriearter er blevet identificeret i den menneskelige tarm, og forståelse af dette utroligt mangfoldige "mikrobiom", der i høj grad kan påvirke sundhed og sygdom, er et varmt emne i videnskabelig forskning. Fordi bakterier rutinemæssigt er genetisk manipuleret i videnskabslaboratorier, der er stor spænding om muligheden for at tilpasse generne i vores tarminterlopere, så de kan mere end bare hjælpe med at fordøje vores mad (f.eks. registrere oplysninger om tarmens tilstand i realtid, rapportere tilstedeværelse af sygdom, etc.). Imidlertid, lidt vides om, hvordan alle de forskellige stammer kommunikerer med hinanden, og om det overhovedet er muligt at oprette den slags signalveje, der gør det muligt at videregive information mellem dem.

Nu, forskere fra Wyss Institute ved Harvard University, Harvard Medical School (HMS), og Brigham og Women's Hospital har med succes konstrueret et genetisk signaloverførselssystem, hvor et molekylært signal sendt af Salmonella Typhimurium-bakterier som reaktion på en miljømæssig signal kan modtages og registreres af E coli i en muses tarm, bringe forskere et skridt tættere på at udvikle et "syntetisk mikrobiom" sammensat af bakterier, der er programmeret til at udføre bestemte funktioner. Undersøgelsen er rapporteret i ACS syntetisk biologi .

"For at forbedre menneskers sundhed gennem konstruerede tarmbakterier, vi skal begynde at finde ud af, hvordan vi får bakterierne til at kommunikere, "sagde Suhyun Kim, en kandidatstuderende i laboratoriet af Pamela Silver ved Wyss Institute og HMS, hvem er den første forfatter til papiret. "Vi vil sikre os, at som udviklet probiotika udvikler sig, vi har et middel til at koordinere og kontrollere dem i harmoni. "

Teamet udnyttede en evne, der naturligt forekommer i nogle bakteriestammer kaldet "kvorumfølelse, "hvor bakterierne sender og modtager signalmolekyler, der angiver bakteriekoloniens samlede tæthed og regulerer ekspressionen af ​​mange gener, der er involveret i gruppeaktiviteter. En bestemt type kvorumføling kendt som acyl-homoserin lacton (acyl-HSL) sensing har endnu ikke blevet observeret i pattedyrets tarm, så teamet besluttede at se, om de kunne genanvende dets signalsystem til at oprette et bakterielt informationsoverførselssystem ved hjælp af genteknologi.

Forskerne introducerede to nye genetiske kredsløb i forskellige kolonier af en stamme af E coli bakterier:et "signaler" kredsløb, og et "responder" kredsløb. Signaleringskredsløbet indeholder en enkelt kopi af et gen kaldet luxI, der tændes af molekylet anhydrotetracyclin (ATC) og producerer et kvorumfølende signalmolekyle. Responder -kredsløbet er struktureret sådan, at når signalmolekylet binder sig til det, et gen kaldet cro aktiveres for at producere proteinet Cro, som derefter tænder et "hukommelseselement" inden for responder -kredsløbet. Hukommelseselementet udtrykker to yderligere gener:LacZ og en anden kopi af cro. Udtrykket af LacZ får bakterien til at blive blå, hvis den udplades på en særlig agar, derved frembringer visuel bekræftelse på, at signalmolekylet er blevet modtaget. Den ekstra kopi af cro danner en positiv feedback loop, der holder hukommelseselementet tændt, sikre, at bakterien fortsætter med at udtrykke LacZ over en længere periode.

Forskerne bekræftede, at dette system virker in vitro i begge E coli og S. Typhimurium bakterie, observerede, at responderbakterierne blev blå, da ATC blev føjet til signalerbakterierne. For at se om det ville fungere in vivo, de administrerede både signaler og responder E coli bakterier til mus, og gav derefter musene ATC i deres drikkevand i to dage. Da fækale prøver fra musene blev analyseret, over halvdelen af ​​musene viste klare tegn på 3OC6HSL signaloverførsel, der vedvarede efter to dage på ATC.

”Det var spændende og lovende, at vores system, med enkelt kopibaserede kredsløb, kan skabe funktionel kommunikation i musens tarm, "forklarede Kim." Traditionel genteknologi introducerer flere kopier af et gen af ​​interesse i bakteriens genom via plasmider, hvilket lægger en stor metabolisk byrde på de konstruerede bakterier og får dem til let at blive udkonkurreret af andre bakterier i værten. "

Endelig, holdet gentog in vivo -eksperimentet, men gav musene signaler S. Typhimurium bakterier og E coli responder bakterier, for at se, om signalet kunne overføres på tværs af forskellige bakteriearter i musens tarm. Alle mus viste tegn på signaloverførsel, bekræfter, at de konstruerede kredsløb tillod kommunikation mellem forskellige bakteriearter i det komplekse miljø i pattedyrets tarm.

Forskerne håber at fortsætte denne undersøgelseslinje ved at konstruere flere bakteriearter, så de kan kommunikere, og ved at søge efter og udvikle andre signalmolekyler, der kan bruges til at overføre information mellem dem.

"Ultimativt, vi sigter mod at skabe et syntetisk mikrobiom med helt eller for det meste konstruerede bakteriearter i vores tarm, som hver især har en specialiseret funktion (f.eks. opdage og helbrede sygdomme, skabe fordelagtige molekyler, forbedrer fordøjelsen, osv.) men kommunikerer også med de andre for at sikre, at de alle er afbalancerede for optimal menneskers sundhed, "sagde den tilsvarende forfatter Silver, Ph.d., et stiftende kernefakultetsmedlem i Wyss Institute, der også er Elliot T. og Onie H. Adams professor i biokemi og systembiologi ved HMS.

"Mikrobiomet er den næste grænse inden for medicin såvel som wellness. Udarbejde nye teknologier til at konstruere tarmmikrober til det bedre, samtidig med at de værdsætter, at de fungerer som en del af et komplekst samfund, som det blev gjort her, repræsenterer et stort skridt fremad i denne retning, "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 SEAS.

• Genomsammenslutningsundersøgelse afslører potentielle gener bag divertikulær sygdom
• Cryptosporidiose forværres af almindeligt anvendt probiotikum