Genetikus jelátviteli rendszer a bél mikrobiomához

Több mint 1, 000 baktériumfajt azonosítottak az emberi bélben, és ennek a hihetetlenül sokszínű "mikrobiómának" megértése, amely nagymértékben befolyásolhatja az egészséget és a betegségeket, forró téma a tudományos kutatásokban. Mivel a baktériumokat rutinszerűen genetikai úton állítják elő tudományos laboratóriumokban, nagy izgalom övezi annak lehetőségét, hogy a bélbe beavatkozó génjeinket módosítsuk, hogy többre is képesek legyenek, mint csak segíteni az ételünket (pl. valós idejű adatok rögzítése a bél állapotáról, betegség jelenlétének bejelentése, stb.). Azonban, keveset tudunk arról, hogy ezek a különböző törzsek hogyan kommunikálnak egymással, és egyáltalán lehetséges -e olyan típusú jelzési utak létrehozása, amelyek lehetővé tennék az információk továbbítását közöttük.

Most, a Harvard Egyetem Wyss Intézetének kutatói, Harvard Medical School (HMS), és a Brigham és a Női Kórház sikeresen kifejlesztett egy genetikai jelátviteli rendszert, amelyben a Salmonella Typhimurium baktériumok által a környezeti jelre adott válaszként küldött molekuláris jel fogadható és rögzíthető E. coli egér bélében, egy lépéssel közelebb hozva a tudósokat egy "szintetikus mikrobióma" kifejlesztéséhez, amely baktériumokból áll, amelyek meghatározott funkciók ellátására vannak programozva. A tanulmányról számoltak be ACS szintetikus biológia .

"Az emberi egészség javítása érdekében a tervezett bélbaktériumok révén, el kell kezdenünk kitalálni, hogyan lehet a baktériumokat kommunikálni, - mondta Suhyun Kim, végzős hallgató a Wyss Intézet és a HMS Pamela Silver laborjában, ki a lap első szerzője. "Biztosak akarunk lenni abban, ahogy a tervezett probiotikumok fejlődnek, van eszközünk arra, hogy összhangba hozzuk és irányítsuk őket. "

A csapat kihasználta azt a képességet, amely természetesen előfordul bizonyos baktériumtörzsekben, az úgynevezett „kvórumérzékelés, "amelyben a baktériumok jelmolekulákat küldnek és fogadnak, amelyek jelzik a baktériumtelep teljes sűrűségét, és szabályozzák a csoporttevékenységekben részt vevő számos gén expresszióját. A kvórumérzékelés egy bizonyos típusa, az úgynevezett acil-homoszerin-lakton (acyl-HSL) érzékelés emlősbélben még nem észlelték, így a csapat úgy döntött, hogy meg tudja -e újítani a jelzőrendszerét, hogy géntechnológiával bakteriális információátviteli rendszert hozzon létre.

A kutatók két új genetikai áramkört vezettek be a törzs különböző kolóniáiba E. coli baktériumok:"jelző" áramkör, és "válaszadó" áramkör. A jelző áramkör a luxI nevű gén egyetlen példányát tartalmazza, amelyet az anhidrotetraciklin (ATC) molekula kapcsol be, és kvórumérzékelő jelzőmolekulát állít elő. A válaszadó áramkör úgy van felépítve, hogy amikor a jelzőmolekula hozzá köt, a cro nevű gén aktiválódik a Cro fehérje előállításához, amely ezután bekapcsol egy "memóriaelemet" a válaszadó áramkörön belül. A memóriaelem két további gént fejez ki:a LacZ -t és a cro másik másolatát. A LacZ expressziója miatt a baktérium kék színűvé válik, ha speciális agarra helyezzük, így vizuálisan megerősítve, hogy a jelmolekula megérkezett. A cro extra példánya pozitív visszacsatolási ciklust képez, amely bekapcsolva tartja a memóriaelemet, annak biztosítása, hogy a baktérium hosszabb ideig továbbra is expresszálja a LacZ -t.

A kutatók megerősítették, hogy ez a rendszer mindkettőben in vitro működik E. coli és S. Typhimurium baktériumok, megfigyelve, hogy a válaszadó baktériumok kékre színeződtek, amikor ATC -t adtak a jelzőbaktériumokhoz. Hogy lássa, működik -e in vivo, jelzőt és válaszadót is beadtak E. coli baktériumok az egereknek, majd két napig ATC -t adott az ivóvízben az egereknek. Az egerek székletmintáinak elemzésekor az egerek több mint fele egyértelmű jeleket mutatott a 3OC6HSL jelátvitelre, amelyek két nap múlva is fennálltak ATC -n.

"Izgalmas és ígéretes volt, hogy a rendszerünk egyetlen másolatalapú áramkörrel, funkcionális kommunikációt hozhat létre az egér bélrendszerében, "magyarázta Kim." A hagyományos géntechnológia a kívánt gén több példányát vezeti be a bakteriális genomba plazmidokon keresztül, ami nagy anyagcsereterhet ró a mesterségesen előállított baktériumokra, és emiatt könnyen legyőzi őket a gazdaszervezet más baktériumai. "

Végül, a csapat megismételte az in vivo kísérletet, de jelzőt adott az egereknek S. Typhimurium baktériumok és E. coli válaszoló baktériumok, hogy lássuk, át lehet -e juttatni a jelet különböző baktériumfajokon keresztül az egér bélében. Minden egér jeleket mutatott a jeltovábbításra, megerősítve, hogy a tervezett áramkörök lehetővé tették a kommunikációt a különböző baktériumfajok között az emlősbél összetett környezetében.

A kutatók remélik, hogy folytatják ezt a kutatási irányt, több baktériumfajt fejlesztve, hogy kommunikálni tudjanak, és más jelzőmolekulák keresésével és fejlesztésével, amelyek felhasználhatók az információk továbbítására közöttük.

"Végül, Célunk egy olyan szintetikus mikrobiom létrehozása, amely teljesen vagy többnyire baktériumfajokat tartalmaz a bélünkben, mindegyiknek speciális funkciója van (pl. betegségek felismerése és gyógyítása, jótékony molekulákat hoz létre, javítja az emésztést, stb.), de kommunikál is a többiekkel annak biztosítása érdekében, hogy mindegyikük kiegyensúlyozott legyen az optimális emberi egészség érdekében, - mondta Silver, a szerző. Ph.D., a Wyss Intézet alapító kar tagja, aki egyben Elliot T. és Onie H. Adams biokémiai és rendszerbiológiai professzor a HMS -ben.

"A mikrobióma az orvostudomány és a wellness következő határa. Új technológiák kidolgozása a bélmikrobák jobb fejlesztése érdekében, miközben felbecsüljük, hogy ezek egy összetett közösség részeként működnek, ahogy itt is tették, jelentős előrelépést jelent ez irányban, - mondta Donald Ingber, a Wyss alapító igazgatója. M.D., Ph.D., aki a HMS és a Bostoni Gyermekkórház Érbiológiai Programjának Judah Folkman professzora, valamint a SEAS biomérnöki professzora.

• A genomra kiterjedő asszociációs tanulmány feltárja a divertikuláris betegség mögött rejlő potenciális géneket
• A cryptosporidiosis súlyosbodik az általánosan használt probiotikumokkal