Genetski sustav prijenosa signala za crijevni mikrobiom

Više od 1, 000 vrsta bakterija identificirano je u ljudskim crijevima, a razumijevanje ovog nevjerojatno raznolikog "mikrobioma" koji može uvelike utjecati na zdravlje i bolesti vruća je tema u znanstvenim istraživanjima. Budući da su bakterije rutinski genetski modificirane u znanstvenim laboratorijima, veliko je uzbuđenje zbog mogućnosti prilagođavanja gena naših crijevnih ometača kako bi mogli učiniti više od pukog probavljanja hrane (npr. bilježiti podatke o stanju crijeva u stvarnom vremenu, prijaviti prisutnost bolesti, itd.). Međutim, malo se zna o tome kako svi ti različiti sojevi međusobno komuniciraju, te je li uopće moguće stvoriti vrste signalnih putova koji bi omogućili prijenos informacija između njih.

Sada, istraživači s Instituta Wyss na Sveučilištu Harvard, Harvard Medical School (HMS), i Brigham i Ženska bolnica uspješno su projektirali genetski sustav prijenosa signala u kojem molekularni signal koji šalju bakterije Salmonella Typhimurium kao odgovor na znak okoliša može primiti i zabilježiti E coli u utrobi miša, približavajući znanstvenike korak bliže razvoju "sintetičkog mikrobioma" sastavljenog od bakterija koje su programirane za obavljanje određenih funkcija. Studija je objavljena u ACS Sintetička biologija .

"Kako bi se poboljšalo zdravlje ljudi putem projektiranih crijevnih bakterija, moramo početi smišljati kako natjerati bakterije da komuniciraju, "rekao je Suhyun Kim, apsolventica u laboratoriju Pamele Silver na Wyss Institutu i HMS -u, koji je prvi autor rada. "Želimo se u to uvjeriti, kako se razvijaju projektirani probiotici, imamo sredstva za njihovo usklađivanje i skladnu kontrolu. "

Tim je iskoristio sposobnost koja se prirodno javlja u nekim sojevima bakterija koja se naziva "otkrivanje kvoruma", "u kojem bakterije šalju i primaju signalne molekule koje ukazuju na ukupnu gustoću bakterijske kolonije i reguliraju ekspresiju mnogih gena uključenih u grupne aktivnosti. Posebna vrsta osjećanja kvoruma poznata kao acyl-homoserine lakton (acyl-HSL) ima još nije uočeno u crijevima sisavaca, pa je tim odlučio vidjeti mogu li prenamijeniti njegov signalni sustav za stvaranje bakterijskog sustava za prijenos informacija pomoću genetskog inženjeringa.

Znanstvenici su uveli dva nova genetska kola u različite kolonije soja E coli bakterije:sklop "signalizatora", i sklop "odgovora". Signalni krug sadrži jednu kopiju gena koji se naziva luxI, a aktivira ga molekula anhidrotetraciklina (ATC) i proizvodi signalnu molekulu koja osjeća kvorum. Odzivni krug je strukturiran tako da kada se signalna molekula na njega veže, gen koji se naziva cro aktivira se za proizvodnju proteina Cro, koji zatim uključuje "memorijski element" unutar kruga odgovora. Memorijski element izražava dva dodatna gena:LacZ i drugu kopiju hrv. Ekspresija LacZ uzrokuje da bakterija postane plava ako se stavi na poseban agar, čime se dobiva vizualna potvrda da je signalna molekula primljena. Dodatna kopija cro tvori petlju pozitivne povratne sprege koja zadržava memorijski element uključenim, osiguravajući da bakterija nastavlja eksprimirati LacZ tijekom duljeg vremenskog razdoblja.

Istraživači su potvrdili da ovaj sustav radi in vitro i u jednom i u drugom E coli i S. Typhimurium bakterije, primijetivši da je bakterija koja reagira postala plava kada je ATC dodan bakteriji signalizatoru. Da biste vidjeli hoće li funkcionirati in vivo, upravljali su i potpisnikom i odazivom E coli bakterije miševima, a zatim je miševima dao dva dana ATC u vodi za piće. Kad su analizirani fekalni uzorci miševa, više od polovice miševa pokazalo je jasne znakove prijenosa signala 3OC6HSL koji su trajali nakon dva dana na ATC -u.

"Bilo je uzbudljivo i obećavajuće da je naš sustav, sa krugovima temeljenim na jednoj kopiji, može stvoriti funkcionalnu komunikaciju u crijevima miša, "objasnila je Kim." Tradicionalni genetski inženjering uvodi više kopija gena od interesa u bakterijski genom putem plazmida, što postavlja visoko metaboličko opterećenje na inženjerirane bakterije i uzrokuje da ih druge bakterije u domaćinu lako nadmaše. "

Konačno, tim je ponovio in vivo eksperiment, ali je miševima dao signalizator S. Typhimurium bakterije i E coli bakterija odgovor, kako bi se vidjelo može li se signal prenijeti na različite vrste bakterija unutar crijeva miša. Svi miševi pokazali su znakove prijenosa signala, potvrđujući da su projektirani krugovi dopuštali komunikaciju između različitih vrsta bakterija u složenom okruženju crijeva sisavaca.

Istraživači se nadaju da će nastaviti ovu liniju istraživanja inženjeringom više vrsta bakterija kako bi mogle komunicirati, te traženjem i razvijanjem drugih signalnih molekula koje se mogu koristiti za prijenos informacija između njih.

"Na kraju, nastojimo stvoriti sintetički mikrobiom s potpuno ili uglavnom projektiranim vrstama bakterija u našim crijevima, od kojih svaka ima specijaliziranu funkciju (npr. otkrivanje i liječenje bolesti, stvaranje korisnih molekula, poboljšanje probave, itd.), ali i komunicira s drugima kako bi se osiguralo da su svi uravnoteženi za optimalno zdravlje ljudi, "rekao je odgovarajući autor Silver, Dr. Sc., jedan od osnivača Fakulteta, član Wyss Instituta, koji je također Elliot T. i Onie H. Adams, profesor biokemije i sistemske biologije na HMS -u.

"Mikrobiom je sljedeća granica u medicini, kao i u wellnessu. Smišljajući nove tehnologije za poboljšanje crijevnih mikroba, cijeneći da djeluju kao dio složene zajednice, kao što je ovdje učinjeno, predstavlja veliki korak naprijed u tom smjeru, "rekao je osnivački direktor Wyssa Donald Ingber, DOKTOR MEDICINE., Dr. Sc., koji je također Judah Folkman profesor vaskularne biologije na HMS -u i programa vaskularne biologije u dječjoj bolnici u Bostonu, kao i profesor bioinženjeringa na SEAS -u.

• Studija povezivanja genoma otkriva potencijalne gene iza divertikularne bolesti
• Kriptosporidioza se pogoršava uobičajenim probioticima