Genetinė žarnyno mikrobiomos signalų perdavimo sistema

Daugiau nei 1, Žmogaus žarnyne nustatyta 000 rūšių bakterijų, ir suprasti šį neįtikėtinai įvairų „mikrobiomą“, galintį labai paveikti sveikatą ir ligas, yra karšta mokslinių tyrimų tema. Kadangi bakterijos paprastai yra genetiškai modifikuotos mokslo laboratorijose, labai jaudinamės dėl galimybės pataisyti mūsų žarnyno įsibrovėlių genus, kad jie galėtų ne tik padėti virškinti mūsų maistą (pvz. realiu laiku įrašyti informaciją apie žarnyno būklę, pranešti apie ligos buvimą, ir tt). Tačiau, mažai žinoma apie tai, kaip visos šios skirtingos padermės bendrauja tarpusavyje, ir ar netgi įmanoma sukurti tokius signalizacijos kelius, kurie leistų tarp jų perduoti informaciją.

Dabar, Harvardo universiteto Wyss instituto mokslininkai, Harvardo medicinos mokykla (HMS), ir Brighamas bei Moterų ligoninė sėkmingai sukūrė genetinę signalų perdavimo sistemą, kurioje galėtų priimti ir įrašyti molekulinį signalą, kurį Salmonella Typhimurium bakterijos siunčia reaguodamos į aplinkos signalą. E. coli pelės žarnyne, priartindami mokslininkus žingsniu arčiau kuriant „sintetinį mikrobiomą“, sudarytą iš bakterijų, suprogramuotų atlikti tam tikras funkcijas. Apie tyrimą pranešta ACS sintetinė biologija .

„Siekiant pagerinti žmonių sveikatą naudojant sukurtas žarnyno bakterijas, turime pradėti aiškintis, kaip priversti bakterijas bendrauti, “ - sakė Suhyun Kim, Wyss instituto ir HMS Pamela Silver laboratorijos absolventas, kas yra pirmasis straipsnio autorius. „Mes norime įsitikinti, kuriant inžinerinius probiotikus, mes turime priemonių juos harmoningai koordinuoti ir valdyti “.

Komanda pasinaudojo gebėjimu, kuris natūraliai atsiranda kai kuriose bakterijų padermėse, vadinamose „kvorumo jutimu“, "kurioje bakterijos siunčia ir gauna signalines molekules, kurios rodo bendrą bakterijų kolonijos tankį ir reguliuoja daugelio genų, dalyvaujančių grupės veikloje, išraišką. Tam tikro tipo kvorumo jutimas, žinomas kaip acilo-homoserino laktono (acilo-HSL) jutimas, turi dar nepastebėta žinduolių žarnyne, todėl komanda nusprendė išsiaiškinti, ar jie galėtų panaudoti jos signalizacijos sistemą, kad sukurtų bakterijų informacijos perdavimo sistemą, naudojant genų inžineriją.

Mokslininkai įvedė dvi naujas genetines grandines į skirtingas padermės kolonijas E. coli bakterijos:„signalizatoriaus“ grandinė, ir „reagavimo“ grandinė. Signalizavimo grandinėje yra viena geno, vadinamo luxI, kopija, kurią įjungia molekulė anhidrotetraciklinas (ATC) ir sukuria kvorumo jutimo signalinę molekulę. Atsakiklio grandinė yra sukonstruota taip, kad kai prie jos prisijungia signalinė molekulė, genas, vadinamas cro, yra aktyvuojamas gaminti baltymą Cro, kuris tada įjungia „atminties elementą“ atsakiklio grandinėje. Atminties elementas išreiškia du papildomus genus:LacZ ir kitą cro kopiją. Dėl LacZ ekspresijos bakterija pasidaro mėlyna, jei padengiama ant specialaus agaro, taip gaunamas vizualus patvirtinimas, kad signalinė molekulė buvo gauta. Papildoma „cro“ kopija sudaro teigiamą grįžtamojo ryšio ciklą, kuris išsaugo atminties elementą, užtikrinant, kad bakterija ilgesnį laiką ir toliau ekspresuotų LacZ.

Mokslininkai patvirtino, kad ši sistema veikia in vitro abiejuose E. coli ir S. Typhimurium bakterijos, stebint, kad reaguojančios bakterijos tapo mėlynos, kai į signalizuojančias bakterijas buvo pridėta ATC. Norėdami sužinoti, ar tai veiks in vivo, jie administravo ir signalizatorių, ir atsakiklį E. coli bakterijos pelėms, ir tada dvi dienas duodavo pelėms ATC jų geriamajame vandenyje. Analizuojant pelių išmatų mėginius, daugiau nei pusė pelių parodė aiškius 3OC6HSL signalo perdavimo požymius, kurie išliko po dviejų dienų ATC.

„Buvo įdomu ir daug žadanti, kad mūsų sistema, su vienos kopijos grandinėmis, gali sukurti funkcinį bendravimą pelės žarnyne, "paaiškino Kim." Tradicinė genų inžinerija per plazmides į bakterijų genomą įveda kelias dominančio geno kopijas, kuris sukuria didelę medžiagų apykaitos naštą inžinerinėms bakterijoms ir sukelia tai, kad kitos šeimininko bakterijos jas lengvai pralenkia “.

Pagaliau, komanda pakartojo in vivo eksperimentą, bet davė pelėms signalizatorių S. Typhimurium bakterijos ir E. coli reaguojančios bakterijos, norėdami sužinoti, ar signalas gali būti perduotas per skirtingų rūšių bakterijas pelės žarnyne. Visoms pelėms pasireiškė signalo perdavimo požymiai, patvirtindamas, kad sukurtos grandinės leido bendrauti tarp skirtingų rūšių bakterijų sudėtingoje žinduolių žarnyno aplinkoje.

Mokslininkai tikisi tęsti šią tyrimo kryptį, sukurdami daugiau bakterijų rūšių, kad jos galėtų bendrauti, ir ieškant bei kuriant kitas signalines molekules, kurios gali būti naudojamos informacijai perduoti tarp jų.

„Galų gale, siekiame sukurti sintetinį mikrobiomą, kuriame mūsų žarnyne būtų visiškai arba daugiausia sukurtos bakterijos, kiekviena iš jų turi tam tikrą funkciją (pvz. aptikti ir išgydyti ligas, naudingų molekulių kūrimas, pagerinti virškinimą, ir tt), bet taip pat bendrauja su kitais, kad užtikrintų, jog jie visi yra subalansuoti optimaliai žmonių sveikatai, “, - sakė atitinkamas autorius Silveris. Daktaras, Wyss instituto pagrindinis fakulteto narys, taip pat Elliot T. ir Onie H. Adams, HMS biochemijos ir sistemų biologijos profesorius.

"Mikrobiomas yra kita medicinos ir sveikatingumo riba. Kuriant naujas technologijas, skirtas žarnyno mikrobams tobulinti, tuo pačiu įvertinant, kad jie veikia kaip sudėtingos bendruomenės dalis, kaip čia buvo padaryta, yra didelis žingsnis į priekį šia linkme, “, - sakė„ Wyss “įkūrėjas Donaldas Ingberis. M. D., Daktaras, kuris taip pat yra Judah Folkman kraujagyslių biologijos profesorius HMS ir kraujagyslių biologijos programoje Bostono vaikų ligoninėje, taip pat SEAS bioinžinerijos profesorius.

• Viso genomo asociacijos tyrimas atskleidžia galimus divertikulinės ligos genus
• Kriptosporidiozė pablogėjo dėl dažniausiai vartojamo probiotiko