Untersuchungen zeigen, wie Colansäure die Lebensdauer von C. elegans verlängert

Die Forscherin des Baylor College of Medicine, Meng Wang, hatte bereits gezeigt, dass Bakterien, die einen Metaboliten namens Colansäure (CA) produzieren, die Lebensdauer von Würmern in ihrem Labor um bis zu 50 % verlängern können. aber ihre Zusammenarbeit mit dem synthetischen Biologen Jeffrey Tabor von der Rice University liefert Werkzeuge, um die größere Frage zu beantworten, wie der Metabolit eine längere Lebensdauer verleiht.

In einer Studie veröffentlicht in eLife , Wang, Tabor und Kollegen zeigten, dass sie verschiedene Lichtfarben verwenden konnten, um die Gene von Darmbakterien ein- und auszuschalten, während sich die Bakterien im Darm von Würmern befanden. Möglich wurde die Arbeit durch ein optogenetisches Kontrollsystem, das Tabor seit mehr als einem Jahrzehnt entwickelt.

Mengs Gruppe entdeckte, dass die CA-Verbindung die Lebensdauer verlängern kann, konnten jedoch nicht mit Sicherheit sagen, ob es sich um einen Nahrungsbestandteil handelte, der im Magen verdaut wird, oder um einen Metaboliten, der von Bakterien im Darm produziert wird. Wir konnten die Produktion von CA auf den Darm beschränken und zeigen, dass es sich positiv auf die Zellen im Darm auswirkt."

Tabor, Außerordentlicher Professor für Bioengineering und Biowissenschaften, Reis Universität

Für die Experimente, Tabors Labor hat E. coli-Stämme so entwickelt, dass sie CA produzieren, wenn sie Grün ausgesetzt sind. aber nicht rot, hell. Um sicherzustellen, dass die Bakterien richtig funktionieren, Das Team fügte Gene hinzu, um verschiedene Farben von fluoreszierenden Proteinen herzustellen, die unter einem Mikroskop hell erscheinen würden. Eine Farbe war immer präsent, um leicht zu erkennen, wo sich die Bakterien in den Würmern befanden, und eine zweite Farbe wurde nur hergestellt, wenn die Bakterien CA produzierten.

In Zusammenarbeit mit dem Wang-Labor, Tabors Labor hielt die Bakterien unter rotem Licht und verfütterte sie an Würmer. eine Art namens Caenorhabditis elegans (C. elegans), die häufig in den Biowissenschaften verwendet wird. Die Forscher verfolgten den Weg der Bakterien durch den Verdauungstrakt und schalteten grünes Licht ein, als sie den Darm erreichten.

„Wenn man grünem Licht ausgesetzt ist, Würmer, die diesen E. coli-Stamm trugen, lebten auch länger. Je stärker das Licht, je länger die lebensdauer, “ sagte Wang, der Robert C. Fyfe Stiftungslehrstuhl für Altern, Professor für Molekular- und Humangenetik am Huffington Center on Aging in Baylor und Ermittler des Howard Hughes Medical Institute.

In den Zellen von C. elegans und anderen Lebewesen höherer Ordnung vom Menschen bis zur Hefe, spezialisierte Organellen, die Mitochondrien genannt werden, liefern den größten Teil der Energie. Tausende Mitochondrien arbeiten rund um die Uhr in jeder Zelle und halten ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Spaltung und Verschmelzung aufrecht, aber sie werden mit der Zeit weniger effizient. Wenn Menschen und andere Organismen altern, die Dysfunktion der Mitochondrien führt zu einem Funktionsverlust ihrer Zellen.

In früheren Experimenten mit C. elegans, Wang und Kollegen zeigten, dass CA das Gleichgewicht zwischen mitochondrialer Spaltung und Fusion sowohl in Darm- als auch in Muskelzellen regulieren kann, um die Langlebigkeit zu fördern. Die Würmer leben normalerweise etwa drei Wochen, Wangs Labor hat jedoch gezeigt, dass CA ihr Leben auf 4,5 Wochen verlängern kann – 50 % länger als üblich.

Tabor sagte, dies wirft eine Reihe von Fragen auf. Zum Beispiel, wenn CA im Darm produziert wird, profitieren zuerst die Darmzellen? Hängt die positive Wirkung von CA mit ihrem Gehalt zusammen? Und das Wichtigste, breiten sich die mitochondrialen Vorteile vom Darm aus im ganzen Körper aus?

In dem eLife lernen, Die Forscher fanden heraus, dass die CA-Produktion im Darm die mitochondriale Funktion in Darmzellen in kurzer Zeit direkt verbesserte. Sie fanden keine Beweise für eine solche direkte, kurzfristige mitochondriale Vorteile in den Muskelzellen der Würmer. Daher, Die langlebigkeitsfördernde Wirkung von CA beginnt im Darm und breitet sich dann im Laufe der Zeit auf andere Gewebe aus.

„Mit unserer Technologie Wir können Licht verwenden, um die CA-Produktion einzuschalten und zu beobachten, wie der Effekt durch den Wurm wandert, “ sagte Tabor.

Er sagte, die Präzision der optogenetischen Technologie könnte es Forschern ermöglichen, grundlegende Fragen zum Darmmetabolismus zu stellen.

„Wenn Sie den Zeitpunkt und den Ort der Metabolitenproduktion präzise steuern können, Sie können über experimentelle Designs nachdenken, die Ursache und Wirkung zeigen, " er sagte.

Zu zeigen, dass Darmbakterien einen direkten Einfluss auf Gesundheit oder Krankheit haben, wäre eine große Errungenschaft.

„Wir wissen, dass Darmbakterien viele Prozesse in unserem Körper beeinflussen. " sagte Tabor. "Sie wurden mit Fettleibigkeit in Verbindung gebracht, Diabetes, Angst, Krebs, Autoimmunerkrankungen, Herzerkrankungen und Nierenerkrankungen. Es gab eine Explosion von Studien, die messen, welche Bakterien Sie haben, wenn Sie diese oder jene Krankheit haben. und es zeigt alle möglichen Korrelationen."

Aber es gibt einen großen Unterschied zwischen dem Aufzeigen von Korrelation und Kausalität. sagte Tabor.

"Das Ziel, das, was du wirklich willst, sind Darmbakterien, die Sie essen können, die die Gesundheit verbessern oder Krankheiten behandeln, " er sagte.

Aber es ist schwierig für Forscher zu beweisen, dass Moleküle, die von Darmbakterien produziert werden, Krankheiten oder Gesundheit verursachen. Das liegt zum Teil daran, dass der Darm experimentell schwer zugänglich ist, und es ist besonders schwierig, Experimente zu entwerfen, die zeigen, was an bestimmten Stellen im Darm passiert.

"Der Darm ist ein schwer zugänglicher Ort, vor allem bei großen Säugetieren, " sagte Tabor. "Unsere Eingeweide sind 28 Fuß lang, und sie sind sehr heterogen. Der pH-Wert ändert sich während des gesamten Vorgangs und die Bakterien ändern sich ziemlich dramatisch. Also machen die Taschentücher und was sie tun, wie die Moleküle, die sie absondern.

"Um Fragen zu beantworten, wie Darmbakterien unsere Gesundheit beeinflussen, Sie müssen in der Lage sein, Gene an bestimmten Orten und zu bestimmten Zeiten einzuschalten, wenn ein Tier jung ist oder morgens aufwacht, " sagte er. "Sie brauchen dieses Maß an Kontrolle, um Wege auf ihrem eigenen Terrain zu studieren, wo sie passieren und wie sie passieren."

Weil es Licht nutzt, um Gene auszulösen, Optogenetik bietet dieses Maß an Kontrolle, sagte Tabor.

"Bis hier hin, Licht ist wirklich das einzige Signal, das präzise genug ist, um bakterielle Gene im Dünndarm oder im Dickdarm einzuschalten, zum Beispiel, oder tagsüber, aber nicht nachts, " er sagte.

Tabor sagte, er und Wang hätten viele Möglichkeiten besprochen, Optogenetik zur Untersuchung des Alterns einzusetzen.

„Sie hat zwei Dutzend bakterielle Gene gefunden, die die Lebensdauer von C. elegans verlängern können. und wir wissen nicht, wie die meisten von ihnen funktionieren, ", sagte Tabor. "Die Colansäure-Gene sind wirklich faszinierend, Aber es gibt noch viele weitere, die wir mit Licht im Wurm einschalten möchten, um herauszufinden, wie sie funktionieren. Wir können die genaue Technik, die wir in diesem Artikel veröffentlicht haben, verwenden, um auch diese neuen Gene zu erforschen. Und andere Menschen, die das Mikrobiom studieren, können es auch nutzen. Es ist ein leistungsstarkes Werkzeug, um zu untersuchen, wie Bakterien unserer Gesundheit nützen."

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