Een genetisch signaaltransmissiesysteem voor het darmmicrobioom

meer dan 1, 000 soorten bacteriën zijn geïdentificeerd in de menselijke darm, en het begrijpen van dit ongelooflijk diverse "microbioom" dat een grote invloed kan hebben op gezondheid en ziekte, is een hot topic in wetenschappelijk onderzoek. Omdat bacteriën routinematig genetisch gemanipuleerd worden in wetenschappelijke laboratoria, er is grote opwinding over de mogelijkheid om de genen van onze darmindringers aan te passen, zodat ze meer kunnen doen dan alleen helpen bij het verteren van ons voedsel (bijv. informatie over de toestand van de darm in realtime opnemen, de aanwezigheid van ziekte melden, enzovoort.). Echter, er is weinig bekend over hoe al die verschillende soorten met elkaar communiceren, en of het zelfs mogelijk is om het soort signaalpaden te creëren waardoor informatie tussen hen kan worden uitgewisseld.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Wyss Institute van Harvard University, Harvard Medical School (HMS), en Brigham en het Women's Hospital hebben met succes een genetisch signaaltransmissiesysteem ontwikkeld waarin een moleculair signaal dat wordt verzonden door Salmonella Typhimurium-bacteriën als reactie op een omgevingssignaal kan worden ontvangen en geregistreerd door E coli in de darm van een muis, brengt wetenschappers een stap dichter bij de ontwikkeling van een "synthetisch microbioom" dat bestaat uit bacteriën die zijn geprogrammeerd om specifieke functies uit te voeren. Het onderzoek wordt gerapporteerd in ACS synthetische biologie .

"Om de menselijke gezondheid te verbeteren door middel van gemanipuleerde darmbacteriën, we moeten uitzoeken hoe we de bacteriën kunnen laten communiceren, " zei Suhyun Kim, een afgestudeerde student in het lab van Pamela Silver aan het Wyss Institute en HMS, wie is de eerste auteur van het artikel. “We willen ervoor zorgen dat naarmate gemanipuleerde probiotica zich ontwikkelen, we hebben een middel om ze in harmonie te coördineren en te controleren."

Het team maakte gebruik van een vermogen dat van nature voorkomt in sommige bacteriestammen, genaamd 'quorum sensing, " waarin de bacteriën signaalmoleculen verzenden en ontvangen die de algehele dichtheid van de bacteriekolonie aangeven en de expressie reguleren van vele genen die betrokken zijn bij groepsactiviteiten. Een bepaald type quorumdetectie, bekend als acyl-homoserinelacton (acyl-HSL) detectie, heeft nog niet waargenomen in de darm van zoogdieren, dus besloot het team om te kijken of ze het signaleringssysteem konden hergebruiken om een ​​bacterieel informatieoverdrachtssysteem te creëren met behulp van genetische manipulatie.

De onderzoekers introduceerden twee nieuwe genetische circuits in verschillende kolonies van een stam van E coli bacteriën:een "signaalgever" circuit, en een "responder"-schakeling. Het signaalcircuit bevat een enkele kopie van een gen genaamd luxI dat wordt aangezet door het molecuul anhydrotetracycline (ATC) en een quorumgevoelig signaalmolecuul produceert. Het respondercircuit is zo gestructureerd dat wanneer het signaalmolecuul eraan bindt, een gen genaamd cro wordt geactiveerd om het eiwit Cro te produceren, die vervolgens een "geheugenelement" in het antwoordcircuit inschakelt. Het geheugenelement brengt twee extra genen tot expressie:LacZ en een andere kopie van cro. De expressie van LacZ zorgt ervoor dat de bacterie blauw wordt als hij wordt uitgeplaat op een speciale agar, waardoor een visuele bevestiging wordt geproduceerd dat het signaalmolecuul is ontvangen. De extra kopie van cro vormt een positieve feedbacklus die het geheugenelement aanhoudt, ervoor te zorgen dat de bacterie gedurende een langere periode LacZ tot expressie blijft brengen.

De onderzoekers bevestigden dat dit systeem in vitro werkt in beide E coli en S. Typhimurium bacteriën, observeren dat de reagerende bacteriën blauw werden toen ATC aan de signaalbacteriën werd toegevoegd. Om te zien of het in vivo zou werken, ze hebben zowel de signaalgever als de responder toegediend E coli bacteriën voor muizen, en gaven de muizen vervolgens twee dagen ATC in hun drinkwater. Toen fecale monsters van de muizen werden geanalyseerd, meer dan de helft van de muizen vertoonde duidelijke tekenen van 3OC6HSL-signaaloverdracht die aanhield na twee dagen op ATC.

"Het was opwindend en veelbelovend dat ons systeem, met op één kopie gebaseerde circuits, kan functionele communicatie creëren in de darm van de muis, ", legt Kim uit. "Traditionele genetische manipulatie introduceert meerdere kopieën van een gen van belang in het bacteriële genoom via plasmiden, wat een hoge metabolische belasting vormt voor de gemanipuleerde bacteriën en ervoor zorgt dat ze gemakkelijk worden weggeconcurreerd door andere bacteriën in de gastheer."

Eindelijk, het team herhaalde het in vivo experiment, maar gaf de muizen signaalgever S. Typhimurium bacteriën en E coli reagerende bacteriën, om te zien of het signaal kan worden overgedragen over verschillende soorten bacteriën in de darm van de muis. Alle muizen vertoonden tekenen van signaaloverdracht, wat bevestigt dat de gemanipuleerde circuits communicatie mogelijk maakten tussen verschillende soorten bacteriën in de complexe omgeving van de darm van zoogdieren.

De onderzoekers hopen deze onderzoekslijn voort te zetten door meer soorten bacteriën te ontwikkelen zodat ze kunnen communiceren, en door het zoeken naar en ontwikkelen van andere signaalmoleculen die kunnen worden gebruikt om informatie tussen hen over te dragen.

"Uiteindelijk, we streven naar het creëren van een synthetisch microbioom met volledig of grotendeels gemanipuleerde bacteriesoorten in onze darm, die elk een gespecialiseerde functie hebben (bijv. het opsporen en genezen van ziekten, het creëren van nuttige moleculen, verbetering van de spijsvertering, enz.), maar communiceert ook met de anderen om ervoor te zorgen dat ze allemaal in balans zijn voor een optimale menselijke gezondheid, " zei corresponderende auteur Silver, doctoraat, een van de oprichters van de kernfaculteit van het Wyss Institute, die ook de Elliot T. en Onie H. Adams hoogleraar biochemie en systeembiologie aan de HMS is.

"Het microbioom is de volgende grens in geneeskunde en welzijn. Nieuwe technologieën bedenken om darmmicroben ten goede te ontwikkelen, terwijl ze beseffen dat ze functioneren als onderdeel van een complexe gemeenschap, zoals hier werd gedaan, een grote stap voorwaarts in deze richting, " zei Wyss oprichter Donald Ingber, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan SEAS.

• Genoombrede associatiestudie onthult potentiële genen achter divertikelziekte
• Cryptosporidiose verergerd door veelgebruikte probiotica