Ein genetisches Signalübertragungssystem für das Darmmikrobiom

Mehr als 1, 000 Bakterienarten wurden im menschlichen Darm identifiziert, und das Verständnis dieses unglaublich vielfältigen "Mikrobioms", das einen großen Einfluss auf Gesundheit und Krankheit haben kann, ist ein heißes Thema in der wissenschaftlichen Forschung. Da Bakterien routinemäßig in wissenschaftlichen Labors gentechnisch verändert werden, Es herrscht große Aufregung über die Möglichkeit, die Gene unserer Darm-Eindringlinge so zu optimieren, dass sie mehr tun können als nur die Verdauung unserer Nahrung (z. Informationen über den Zustand des Darms in Echtzeit aufzeichnen, das Vorliegen einer Krankheit melden, etc.). Jedoch, Es ist wenig darüber bekannt, wie all diese verschiedenen Stämme miteinander kommunizieren, und ob es überhaupt möglich ist, die Arten von Signalwegen zu schaffen, die es ermöglichen, Informationen zwischen ihnen auszutauschen.

Jetzt, Forscher des Wyss Institute der Harvard University, Harvard Medical School (HMS), und Brigham and Women's Hospital haben erfolgreich ein genetisches Signalübertragungssystem entwickelt, bei dem ein molekulares Signal, das von Salmonella Typhimurium-Bakterien als Reaktion auf einen Umweltreiz gesendet wird, empfangen und aufgezeichnet werden kann E coli im Darm einer Maus, Wissenschaftler einen Schritt näher an die Entwicklung eines "synthetischen Mikrobioms" zu bringen, das aus Bakterien besteht, die darauf programmiert sind, bestimmte Funktionen auszuführen. Über die Studie wird berichtet in ACS Synthetische Biologie .

„Um die menschliche Gesundheit durch künstliche Darmbakterien zu verbessern, Wir müssen herausfinden, wie die Bakterien kommunizieren können, " sagte Suhyun Kim, ein Doktorand im Labor von Pamela Silver am Wyss Institute und HMS, wer ist der erste Autor des Papiers. „Wir wollen sicherstellen, dass wie sich technisch hergestellte Probiotika entwickeln, wir haben ein Mittel, um sie harmonisch zu koordinieren und zu kontrollieren."

Das Team machte sich eine Fähigkeit zunutze, die bei einigen Bakterienstämmen natürlicherweise vorkommt und als "Quorum Sensing" bezeichnet wird. " bei dem die Bakterien Signalmoleküle senden und empfangen, die die Gesamtdichte der Bakterienkolonie anzeigen und die Expression vieler Gene regulieren, die an Gruppenaktivitäten beteiligt sind im Darm von Säugetieren noch nicht beobachtet, Daher beschloss das Team zu sehen, ob es sein Signalsystem umfunktionieren könnte, um ein bakterielles Informationsübertragungssystem mit Hilfe von Gentechnik zu entwickeln.

Die Forscher führten zwei neue genetische Schaltkreise in verschiedene Kolonien eines Stammes von . ein E coli Bakterien:ein "Signalgeber"-Schaltkreis, und eine "Responder"-Schaltung. Der Signalgeber-Schaltkreis enthält eine einzelne Kopie eines Gens namens luxI, das durch das Molekül Anhydrotetracyclin (ATC) aktiviert wird und ein Quorum-Sensing-Signalmolekül produziert. Der Responder-Schaltkreis ist so aufgebaut, dass, wenn das Signalmolekül daran bindet, ein Gen namens cro wird aktiviert, um das Protein Cro zu produzieren, die dann ein "Speicherelement" innerhalb der Antwortschaltung einschaltet. Das Gedächtniselement exprimiert zwei zusätzliche Gene:LacZ und eine weitere Kopie von cro. Die Expression von LacZ führt dazu, dass sich das Bakterium blau färbt, wenn es auf einem speziellen Agar ausplattiert wird. wodurch eine visuelle Bestätigung erzeugt wird, dass das Signalmolekül empfangen wurde. Die zusätzliche Kopie von cro bildet eine positive Rückkopplungsschleife, die das Speicherelement eingeschaltet hält. Sicherstellen, dass das Bakterium LacZ über einen längeren Zeitraum weiter exprimiert.

Die Forscher bestätigten, dass dieses System in vitro in beiden Fällen funktioniert E coli und S. Typhimurium Bakterien, Dabei wurde beobachtet, dass die Responder-Bakterien blau wurden, wenn ATC zu den Signaler-Bakterien hinzugefügt wurde. Um zu sehen, ob es in vivo funktioniert, sie verabreichten sowohl Signaler als auch Responder E coli Bakterien zu Mäusen, und gab den Mäusen dann zwei Tage lang ATC in ihrem Trinkwasser. Wenn Kotproben von den Mäusen analysiert wurden, mehr als die Hälfte der Mäuse zeigten deutliche Anzeichen einer 3OC6HSL-Signalübertragung, die nach zwei Tagen mit ATC anhielt.

"Es war spannend und vielversprechend, dass unser System, mit einzelnen kopierbasierten Schaltungen, kann funktionale Kommunikation im Mausdarm herstellen, " erklärte Kim. "Traditionelle Gentechnik bringt mehrere Kopien eines interessierenden Gens über Plasmide in das bakterielle Genom ein. was eine hohe metabolische Belastung für die gentechnisch veränderten Bakterien darstellt und dazu führt, dass sie leicht von anderen Bakterien im Wirt verdrängt werden."

Schließlich, das Team wiederholte das In-vivo-Experiment, aber gab den Mäusen Signalgeber S. Typhimurium Bakterien und E coli Responder-Bakterien, um zu sehen, ob das Signal über verschiedene Bakterienarten im Darm der Maus übertragen werden könnte. Alle Mäuse zeigten Anzeichen einer Signalübertragung, Dies bestätigt, dass die konstruierten Schaltkreise die Kommunikation zwischen verschiedenen Bakterienarten in der komplexen Umgebung des Säugetierdarms ermöglichen.

Die Forscher hoffen, diese Forschungslinie fortzusetzen, indem sie mehr Bakterienarten so entwickeln, dass sie kommunizieren können. und durch das Suchen und Entwickeln anderer Signalmoleküle, die verwendet werden können, um Informationen zwischen ihnen zu übertragen.

"Letzten Endes, Unser Ziel ist es, ein synthetisches Mikrobiom mit vollständig oder überwiegend manipulierten Bakterienarten in unserem Darm zu schaffen, jeder von ihnen hat eine spezielle Funktion (z. Krankheiten erkennen und heilen, Schaffung von nützlichen Molekülen, Verbesserung der Verdauung, usw.), sondern kommuniziert auch mit den anderen, um sicherzustellen, dass sie alle für eine optimale menschliche Gesundheit ausgewogen sind, " sagte der korrespondierende Autor Silver, Ph.D., ein Gründungsmitglied der Core Faculty des Wyss Institute, das auch Elliot T. und Onie H. Adams Professor für Biochemie und Systembiologie an der HMS ist.

"Das Mikrobiom ist der nächste Meilenstein in der Medizin und im Wellness. Entwicklung neuer Technologien, um Darmmikroben zum Besseren zu entwickeln und gleichzeitig zu schätzen, dass sie als Teil einer komplexen Gemeinschaft funktionieren, wie hier gemacht, stellt einen großen Schritt in diese Richtung dar, " sagte Wyss-Gründungsdirektor Donald Ingber, M. D., Ph.D., der auch Judah Folkman Professor of Vascular Biology an der HMS und das Vascular Biology Program am Boston Children's Hospital ist, sowie Professor für Bioengineering an der SEAS.

• Genomweite Assoziationsstudie deckt potenzielle Gene hinter Divertikulose auf
• Kryptosporidiose verschlimmert durch häufig verwendete Probiotika