Um sistema de transmissão de sinal genético para o microbioma intestinal

Mais de 1, 000 espécies de bactérias foram identificadas no intestino humano, e compreender esse "microbioma" incrivelmente diverso, que pode causar um grande impacto na saúde e na doença, é um tema quente na pesquisa científica. Como as bactérias são rotineiramente geneticamente modificadas em laboratórios de ciências, há grande empolgação com a possibilidade de ajustar os genes de nossos intrusos intestinais para que eles possam fazer mais do que apenas ajudar a digerir nossa comida (por exemplo, registrar informações sobre o estado do intestino em tempo real, relatar a presença de doença, etc.). Contudo, pouco se sabe sobre como todas essas diferentes cepas se comunicam entre si, e se é mesmo possível criar os tipos de vias de sinalização que permitiriam a transmissão de informações entre eles.

p Agora, pesquisadores do Wyss Institute da Harvard University, Harvard Medical School (HMS), e Brigham and Women's Hospital desenvolveram com sucesso um sistema de transmissão de sinal genético no qual um sinal molecular enviado pela bactéria Salmonella Typhimurium em resposta a uma pista ambiental pode ser recebido e registrado por E. coli no intestino de um rato, trazendo os cientistas um passo mais perto de desenvolver um "microbioma sintético" composto de bactérias que são programadas para desempenhar funções específicas. O estudo é relatado em Biologia Sintética ACS .

p "Para melhorar a saúde humana por meio de bactérias intestinais projetadas, precisamos começar a descobrir como fazer a bactéria se comunicar, "disse Suhyun Kim, um estudante de graduação no laboratório de Pamela Silver no Wyss Institute e HMS, quem é o primeiro autor do artigo. "Queremos ter certeza de que, à medida que os probióticos projetados se desenvolvem, temos meios para coordená-los e controlá-los em harmonia. "

p A equipe aproveitou uma capacidade que ocorre naturalmente em algumas cepas de bactérias, chamada de "detecção de quorum, "em que as bactérias enviam e recebem moléculas de sinal que indicam a densidade geral da colônia bacteriana e regulam a expressão de muitos genes envolvidos nas atividades do grupo. Um tipo particular de sensor de quorum conhecido como sensor de acil-homoserina lactona (acil-HSL) tem ainda não foi observada no intestino de mamíferos, então a equipe decidiu ver se eles poderiam redirecionar seu sistema de sinalização para criar um sistema de transferência de informações bacterianas usando engenharia genética.

p Os pesquisadores introduziram dois novos circuitos genéticos em diferentes colônias de uma cepa de E. coli bactéria:um circuito "sinalizador", e um circuito "respondedor". O circuito sinalizador contém uma única cópia de um gene chamado luxI que é ativado pela molécula anidrotetraciclina (ATC) e produz uma molécula sinalizadora de quorum. O circuito de resposta é estruturado de modo que, quando a molécula de sinalização se liga a ele, um gene chamado cro é ativado para produzir a proteína Cro, que então liga um "elemento de memória" dentro do circuito de resposta. O elemento de memória expressa dois genes adicionais:LacZ e outra cópia de cro. A expressão de LacZ faz com que a bactéria fique azul se plaqueada em um ágar especial, produzindo assim a confirmação visual de que a molécula de sinal foi recebida. A cópia extra de cro forma um ciclo de feedback positivo que mantém o elemento de memória ativado, garantindo que a bactéria continue a expressar LacZ por um longo período de tempo.

p Os pesquisadores confirmaram que este sistema funciona in vitro em ambos E. coli e S. Typhimurium bactérias, observando que a bactéria respondedora ficou azul quando o ATC foi adicionado à bactéria sinalizadora. Para ver se funcionaria in vivo, eles administraram sinalizador e respondedor E. coli bactérias para ratos, e, em seguida, administrou ATC aos camundongos na água de beber por dois dias. Quando as amostras fecais dos camundongos foram analisadas, mais da metade dos camundongos exibiu sinais claros de transmissão do sinal 3OC6HSL que persistiu após dois dias em ATC.

p "Foi empolgante e promissor que nosso sistema, com circuitos baseados em cópia única, pode criar comunicação funcional no intestino do mouse, "explicou Kim." A engenharia genética tradicional introduz várias cópias de um gene de interesse no genoma bacteriano por meio de plasmídeos, que coloca uma alta carga metabólica nas bactérias modificadas e faz com que sejam facilmente superadas por outras bactérias no hospedeiro. "

p Finalmente, a equipe repetiu o experimento in vivo, mas deu sinalizador aos ratos S. Typhimurium bactérias e E. coli bactérias respondedoras, para ver se o sinal poderia ser transmitido por diferentes espécies de bactérias no intestino do camundongo. Todos os ratos exibiram sinais de transmissão de sinal, confirmando que os circuitos projetados permitiram a comunicação entre diferentes espécies de bactérias no complexo ambiente do intestino dos mamíferos.

p Os pesquisadores esperam continuar esta linha de investigação criando mais espécies de bactérias para que possam se comunicar, e pesquisando e desenvolvendo outras moléculas de sinalização que podem ser usadas para transmitir informações entre elas.

p "Em última análise, pretendemos criar um microbioma sintético com espécies de bactérias totalmente ou em sua maioria modificadas em nosso intestino, cada um dos quais tem uma função especializada (por exemplo, detectar e curar doenças, criando moléculas benéficas, melhorando a digestão, etc.), mas também se comunica com os outros para garantir que todos estejam equilibrados para uma saúde humana ideal, "disse o autor correspondente Silver, Ph.D., um membro do corpo docente fundador do Wyss Institute, que também é Elliot T. e Onie H. Adams Professor de Bioquímica e Biologia de Sistemas no HMS.

p "O microbioma é a próxima fronteira da medicina e do bem-estar. Desenvolver novas tecnologias para melhorar a engenharia dos micróbios intestinais e, ao mesmo tempo, reconhecer que eles funcionam como parte de uma comunidade complexa, como foi feito aqui, representa um grande passo nessa direção, "disse o Diretor Fundador da Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular no HMS e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia no SEAS.

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