Генетическая система передачи сигналов для кишечного микробиома

Более 1, 000 видов бактерий были идентифицированы в кишечнике человека, и понимание этого невероятно разнообразного «микробиома», который может сильно повлиять на здоровье и болезни, является горячей темой научных исследований. Поскольку бактерии обычно генетически создаются в научных лабораториях, Существует большое волнение по поводу возможности настроить гены наших кишечных нарушителей так, чтобы они могли делать больше, чем просто помогать переваривать нашу пищу (например, записывать информацию о состоянии кишечника в режиме реального времени, сообщить о наличии болезни, так далее.). Тем не мение, мало что известно о том, как все эти разные штаммы общаются друг с другом, и возможно ли вообще создать такие сигнальные пути, которые позволили бы передавать информацию между ними.

Теперь, исследователи из Института Висса Гарвардского университета, Гарвардская медицинская школа (HMS), и Brigham and Women's Hospital успешно разработали систему передачи генетического сигнала, в которой молекулярный сигнал, посылаемый бактериями Salmonella Typhimurium в ответ на сигнал окружающей среды, может быть получен и записан Кишечная палочка в кишечнике мыши, приближая ученых на шаг ближе к разработке «синтетического микробиома», состоящего из бактерий, запрограммированных на выполнение определенных функций. Об исследовании сообщается в Синтетическая биология ACS .

"Чтобы улучшить здоровье человека с помощью искусственно созданных кишечных бактерий, нам нужно начать выяснять, как заставить бактерии общаться, "сказал Сухён Ким, аспирант лаборатории Памелы Сильвер в Институте Висс и HMS, кто является первым автором статьи. "Мы хотим убедиться, что по мере разработки искусственных пробиотиков, у нас есть средства для их гармоничного согласования и управления ".

Команда использовала способность, которая естественным образом встречается у некоторых штаммов бактерий, под названием «распознавание кворума», ", в котором бактерии отправляют и получают сигнальные молекулы, которые указывают на общую плотность бактериальной колонии и регулируют экспрессию многих генов, участвующих в групповой деятельности. Особый тип определения кворума, известный как определение ацил-гомосерин-лактона (ацил-HSL), имеет еще не наблюдались в кишечнике млекопитающих, поэтому команда решила посмотреть, смогут ли они перепрофилировать свою сигнальную систему для создания бактериальной системы передачи информации с помощью генной инженерии.

Исследователи ввели две новые генетические цепи в разные колонии штамма Кишечная палочка бактерии:цепь "сигнализатора", и цепь "ответчика". Цепь сигнализатора содержит единственную копию гена под названием luxI, который включается молекулой ангидротетрациклина (ATC) и производит сигнальную молекулу, воспринимающую кворум. Цепь ответчика устроена так, что когда сигнальная молекула связывается с ней, ген Cro активируется для производства белка Cro, который затем включает «элемент памяти» в цепи ответчика. Элемент памяти экспрессирует два дополнительных гена:LacZ и еще одну копию cro. Экспрессия LacZ приводит к тому, что бактерия становится синей, если посеять ее на специальный агар, таким образом производя визуальное подтверждение того, что сигнальная молекула была получена. Дополнительная копия cro формирует цикл положительной обратной связи, который сохраняет элемент памяти включенным, обеспечение того, чтобы бактерия продолжала экспрессировать LacZ в течение длительного периода времени.

Исследователи подтвердили, что эта система работает in vitro как в Кишечная палочка а также С. Тифимуриум бактерии наблюдая, что бактерии-респонденты стали синими, когда ATC был добавлен к бактериям-сигнализаторам. Чтобы узнать, будет ли это работать in vivo, они управляли как сигнальщиком, так и отвечающим Кишечная палочка бактерии мышам, а затем давали мышам ATC в их питьевой воде в течение двух дней. Когда были проанализированы образцы фекалий мышей, более половины мышей демонстрировали явные признаки передачи сигнала 3OC6HSL, которые сохранялись через два дня на ATC.

"Было интересно и многообещающе, что наша система, с однокопированными схемами, может создать функциональную коммуникацию в кишечнике мыши, - объяснил Ким. - Традиционная генная инженерия вводит несколько копий интересующего гена в бактериальный геном через плазмиды, что создает высокую метаболическую нагрузку на искусственно созданные бактерии и заставляет их легко вытесняться другими бактериями в организме хозяина ».

Наконец-то, команда повторила эксперимент in vivo, но дал мышам связиста С. Тифимуриум бактерии и Кишечная палочка бактерии-респонденты, чтобы увидеть, может ли сигнал передаваться через различные виды бактерий в кишечнике мыши. У всех мышей были признаки передачи сигнала, подтверждая, что сконструированные схемы позволяют общаться между различными видами бактерий в сложной среде кишечника млекопитающих.

Исследователи надеются продолжить эту линию исследований, создав больше видов бактерий, чтобы они могли общаться, и путем поиска и разработки других сигнальных молекул, которые можно использовать для передачи информации между ними.

"В конечном счете, мы стремимся создать синтетический микробиом с полностью или в основном искусственными видами бактерий в нашем кишечнике, каждый из которых выполняет специализированную функцию (например, обнаружение и лечение болезней, создание полезных молекул, улучшение пищеварения, и т. д.), но также общается с другими, чтобы гарантировать, что все они сбалансированы для оптимального здоровья человека, "сказал автор-корреспондент Сильвер, Кандидат наук., член-основатель основного факультета Института Висса, который также является профессором биохимии и системной биологии в HMS Эллиотом Т. и Они Х. Адамс.

«Микробиом - это следующий рубеж в медицине, а также в сфере благополучия. Разрабатывая новые технологии для улучшения кишечных микробов, осознавая, что они функционируют как часть сложного сообщества, как это было сделано здесь, представляет собой серьезный шаг вперед в этом направлении, "сказал директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, Доктор медицины, Кандидат наук., который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии SEAS.

• Полногеномное ассоциативное исследование выявило потенциальные гены, лежащие в основе дивертикулярной боле…
• Криптоспоридиоз усугубляется часто используемыми пробиотиками.