Un sistema di trasmissione del segnale genetico per il microbioma intestinale

più di 1, 000 specie di batteri sono state identificate nell'intestino umano, e la comprensione di questo "microbioma" incredibilmente diversificato che può avere un grande impatto sulla salute e sulle malattie è un argomento scottante nella ricerca scientifica. Poiché i batteri vengono regolarmente modificati geneticamente nei laboratori scientifici, c'è grande entusiasmo per la possibilità di modificare i geni dei nostri intrusi intestinali in modo che possano fare molto di più che aiutare a digerire il nostro cibo (ad es. registrare informazioni sullo stato dell'intestino in tempo reale, segnalare la presenza di malattie, eccetera.). Però, si sa poco di come tutti quei diversi ceppi comunicano tra loro, e se sia anche possibile creare i tipi di percorsi di segnalazione che consentano il passaggio delle informazioni tra di loro.

Ora, ricercatori del Wyss Institute dell'Università di Harvard, Harvard Medical School (HMS), e il Brigham and Women's Hospital hanno progettato con successo un sistema di trasmissione del segnale genetico in cui un segnale molecolare inviato dai batteri Salmonella Typhimurium in risposta a un segnale ambientale può essere ricevuto e registrato da E. coli nello stomaco di un topo, avvicinando gli scienziati allo sviluppo di un "microbioma sintetico" composto da batteri programmati per svolgere funzioni specifiche. Lo studio è riportato in Biologia sintetica ACS .

"Al fine di migliorare la salute umana attraverso batteri intestinali ingegnerizzati, dobbiamo iniziare a capire come far comunicare i batteri, " ha detto Suhyun Kim, uno studente laureato nel laboratorio di Pamela Silver al Wyss Institute e HMS, chi è il primo autore del saggio. "Vogliamo assicurarci che, man mano che i probiotici ingegnerizzati si sviluppano, abbiamo un mezzo per coordinarli e controllarli in armonia."

Il team ha sfruttato un'abilità che si trova naturalmente in alcuni ceppi di batteri chiamata "rilevamento del quorum, " in cui i batteri inviano e ricevono molecole segnale che indicano la densità complessiva della colonia batterica e regolano l'espressione di molti geni coinvolti nelle attività di gruppo. Un particolare tipo di quorum sensing noto come acil-omoserina lattone (acil-HSL) ha non ancora osservata nell'intestino dei mammiferi, quindi il team ha deciso di vedere se potevano riutilizzare il suo sistema di segnalazione per creare un sistema di trasferimento di informazioni sui batteri utilizzando l'ingegneria genetica.

I ricercatori hanno introdotto due nuovi circuiti genetici in diverse colonie di un ceppo di E. coli batteri:un circuito "segnalatore", e un circuito "responder". Il circuito segnalatore contiene una singola copia di un gene chiamato luxI che viene attivato dalla molecola anidrotetraciclina (ATC) e produce una molecola di segnalazione quorum-sensing. Il circuito del risponditore è strutturato in modo tale che quando la molecola di segnalazione si lega ad esso, un gene chiamato cro viene attivato per produrre la proteina Cro, che poi accende un "elemento di memoria" all'interno del circuito del risponditore. L'elemento memoria esprime due geni aggiuntivi:LacZ e un'altra copia di cro. L'espressione di LacZ fa diventare blu il batterio se piastrato su uno speciale agar, producendo così una conferma visiva che la molecola segnale è stata ricevuta. La copia extra di cro forma un ciclo di feedback positivo che mantiene attivo l'elemento di memoria, assicurando che il batterio continui ad esprimere LacZ per un lungo periodo di tempo.

I ricercatori hanno confermato che questo sistema funziona in vitro in entrambi E. coli e S. Typhimurium batteri, osservando che i batteri responder diventavano blu quando l'ATC veniva aggiunto ai batteri segnalatori. Per vedere se avrebbe funzionato in vivo, hanno amministrato sia il segnalatore che il risponditore E. coli batteri ai topi, e poi ha dato ai topi ATC nella loro acqua da bere per due giorni. Quando i campioni fecali dei topi sono stati analizzati, oltre la metà dei topi mostrava chiari segni di trasmissione del segnale 3OC6HSL che persisteva dopo due giorni in ATC.

"È stato emozionante e promettente che il nostro sistema, con circuiti a copia singola, può creare una comunicazione funzionale nell'intestino del topo, " ha spiegato Kim. "L'ingegneria genetica tradizionale introduce più copie di un gene di interesse nel genoma batterico tramite plasmidi, che pone un alto carico metabolico sui batteri ingegnerizzati e li induce a essere facilmente superati da altri batteri nell'ospite".

Finalmente, il team ha ripetuto l'esperimento in vivo, ma ha dato il segnalatore ai topi S. Typhimurium batteri e E. coli batteri risponditori, per vedere se il segnale poteva essere trasmesso attraverso diverse specie di batteri all'interno dell'intestino del topo. Tutti i topi mostravano segni di trasmissione del segnale, confermando che i circuiti ingegnerizzati consentivano la comunicazione tra diverse specie di batteri nel complesso ambiente dell'intestino dei mammiferi.

I ricercatori sperano di continuare questa linea di ricerca progettando più specie di batteri in modo che possano comunicare, e cercando e sviluppando altre molecole di segnalazione che possono essere utilizzate per trasmettere informazioni tra di loro.

"In definitiva, miriamo a creare un microbioma sintetico con specie batteriche completamente o principalmente ingegnerizzate nel nostro intestino, ciascuno dei quali ha una funzione specializzata (ad es. individuare e curare le malattie, creare molecole benefiche, migliorare la digestione, ecc.) ma comunica anche con gli altri per garantire che siano tutti equilibrati per una salute umana ottimale, " ha detto l'autore corrispondente Silver, dottorato di ricerca, un membro fondatore della facoltà del Wyss Institute che è anche Elliot T. e Onie H. Adams Professore di biochimica e biologia dei sistemi presso HMS.

"Il microbioma è la prossima frontiera della medicina e del benessere. Ideare nuove tecnologie per progettare al meglio i microbi intestinali, apprezzando al tempo stesso che funzionano come parte di una comunità complessa, come è stato fatto qui, rappresenta un importante passo avanti in questa direzione, ", ha affermato il direttore fondatore di Wyss, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso HMS e Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso SEAS.

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