Geneettinen signaalinsiirtojärjestelmä suoliston mikrobiomille

Enemmän kuin 1, Ihmisen suolistossa on tunnistettu 000 bakteerilajia, ja ymmärtää tämä uskomattoman monipuolinen "mikrobiomi", joka voi vaikuttaa suuresti terveyteen ja sairauksiin, on kuuma aihe tieteellisessä tutkimuksessa. Koska bakteerit valmistetaan rutiininomaisesti geneettisesti tieteellisissä laboratorioissa, olemme erittäin innoissamme mahdollisuudesta säätää suoliston välikappaleiden geenejä, jotta he voivat tehdä enemmän kuin vain auttaa sulattamaan ruokamme (esim. tallentaa tietoja suolen tilasta reaaliajassa, ilmoittaa sairauden esiintymisestä, jne.). Kuitenkin, vähän tiedetään siitä, miten kaikki nämä eri lajit kommunikoivat keskenään, ja onko edes mahdollista luoda sellaisia ​​signalointireittejä, jotka mahdollistavat tietojen välittämisen niiden välillä.

Nyt, tutkijat Harvardin yliopiston Wyss -instituutista, Harvardin lääketieteellinen koulu (HMS), ja Brigham ja naisten sairaala ovat onnistuneesti kehittäneet geneettisen signaalinsiirtojärjestelmän, jossa Salmonella Typhimurium -bakteerien lähettämä molekyylisignaali vastauksena ympäristön vihjeeseen voidaan vastaanottaa ja tallentaa E. coli hiiren suolistossa, tuovat tutkijat askeleen lähemmäksi "synteettisen mikrobiomin" kehittämistä, joka koostuu bakteereista, jotka on ohjelmoitu suorittamaan tiettyjä toimintoja. Tutkimus raportoidaan vuonna ACS Synteettinen biologia .

"Ihmisten terveyden parantamiseksi suunniteltujen suolistobakteerien avulla, meidän on alettava selvittää, miten saada bakteerit kommunikoimaan, "sanoi Suhyun Kim, jatko -opiskelija Pamela Silverin laboratoriossa Wyss -instituutissa ja HMS:ssä, kuka on lehden ensimmäinen kirjoittaja. "Haluamme varmistaa, että kun suunnitellut probiootit kehittyvät, meillä on keinot koordinoida ja hallita niitä sopusoinnussa. "

Tiimi käytti kykyä, joka esiintyy luonnollisesti joissakin bakteerikannoissa, joita kutsutaan "koorumin tunnistukseksi", "jossa bakteerit lähettävät ja vastaanottavat signaalimolekyylejä, jotka osoittavat bakteeripesäkkeen kokonaistiheyden ja säätelevät monien ryhmäaktiviteetteihin osallistuvien geenien ilmentymistä. ei ole vielä havaittu nisäkkään suolistossa, joten tiimi päätti katsoa, ​​voisivatko ne käyttää sen signalointijärjestelmää luodakseen bakteerien tiedonsiirtojärjestelmän geenitekniikan avulla.

Tutkijat esittivät kaksi uutta geneettistä piiriä eri kantojen pesäkkeisiin E. coli bakteerit:"signalointipiiri", ja "vastaajapiiri". Signalointipiiri sisältää yhden kopion luxI-nimisestä geenistä, jonka molekyylin anhydrotetrasykliini (ATC) kytkee päälle ja joka tuottaa koorumin tunnistavan signalointimolekyylin. Vastauspiiri on rakennettu siten, että kun signaloiva molekyyli sitoutuu siihen, Cro -niminen geeni aktivoituu tuottamaan Cro -proteiinia, joka sitten kytkee "muistielementin" päälle vastauspiirissä. Muistielementti ilmentää kahta lisägeeniä:LacZ ja toinen kopio cro. LacZ:n ilmentyminen saa bakteerin muuttumaan siniseksi, jos se levitetään erityiselle agarille, Näin saadaan visuaalinen vahvistus siitä, että signaalimolekyyli on vastaanotettu. Cro:n ylimääräinen kopio muodostaa positiivisen palautesilmukan, joka pitää muistielementin päällä, varmistaa, että bakteeri jatkaa LacZ:n ilmentymistä pitkän ajan.

Tutkijat vahvistivat, että tämä järjestelmä toimii in vitro molemmissa E. coli ja S. Typhimurium bakteerit, havaitsemalla, että vastebakteerit muuttuivat sinisiksi, kun signaalibakteereihin lisättiin ATC. Jos haluat nähdä, toimiiko se in vivo, he antoivat sekä opastusta että vastausta E. coli bakteereja hiirille, ja sitten antoi hiirille ATC:tä juomavedessään kahden päivän ajan. Kun hiirien ulosteenäytteet analysoitiin, yli puolella hiiristä oli selviä merkkejä 3OC6HSL -signaalin lähetyksestä, joka jatkui kahden päivän kuluttua ATC:ssä.

"Oli jännittävää ja lupaavaa, että järjestelmämme yksittäisillä kopiointipiireillä, voi luoda toiminnallista viestintää hiiren suolistossa, "selitti Kim." Perinteinen geenitekniikka tuo useita kopioita kiinnostavasta geenistä bakteerien genomiin plasmidien kautta, joka aiheuttaa suuren aineenvaihduntataakan muokattuille bakteereille ja saa heidät helposti kilpailemaan muiden isännän bakteerien kanssa. "

Lopuksi, ryhmä toisti in vivo kokeen, mutta antoi hiirille merkinantajan S. Typhimurium bakteereja ja E. coli vastebakteerit, nähdäksesi, voisiko signaali siirtyä eri bakteerilajien välillä hiiren suolistossa. Kaikilla hiirillä oli merkkejä signaalin lähettämisestä, vahvistamalla, että suunnitellut piirit mahdollistivat yhteyden eri bakteerilajien välillä nisäkkään suolen monimutkaisessa ympäristössä.

Tutkijat toivovat jatkavansa tätä tutkimuslinjaa suunnittelemalla lisää bakteerilajeja, jotta ne voivat kommunikoida, ja etsimällä ja kehittämällä muita signalointimolekyylejä, joita voidaan käyttää tietojen välittämiseen niiden välillä.

"Viime kädessä, pyrimme luomaan synteettisen mikrobiomin, joka sisältää kokonaan tai enimmäkseen muokattuja bakteereja suolistamme, Jokaisella on erityistoiminto (esim. sairauden havaitseminen ja parantaminen, hyödyllisten molekyylien luominen, parantaa ruoansulatusta, jne.), mutta myös kommunikoi muiden kanssa varmistaakseen, että kaikki ovat tasapainossa ihmisten terveyden kannalta, "sanoi vastaava kirjoittaja Silver, Ph.D., a Wyss -instituutin perustajaosaston jäsen, joka on myös Elliot T. ja Onie H. Adams, biokemian ja systeemibiologian professori HMS:ssä.

"Mikrobiomi on lääketieteen ja hyvinvoinnin seuraava raja. Kehitetään uusia tekniikoita suoliston mikrobien kehittämiseksi paremmaksi samalla kun ymmärretään, että ne toimivat osana monimutkaista yhteisöä, kuten täällä tehtiin, on suuri edistysaskel tähän suuntaan, "sanoi Wyssin perustajajohtaja Donald Ingber, M.D., Ph.D., joka on myös juutalainen kansanmies, vaskulaaribiologian professori HMS:ssä ja vaskulaaribiologian ohjelma Bostonin lastensairaalassa, sekä biotekniikan professori SEAS:ssa.

• Genomin laajuinen assosiaatiotutkimus paljastaa mahdolliset geenit divertikulaarisen sairauden takana
• Yleisesti käytetty probiootti pahentaa kryptosporidioosia