Výskum ukazuje, ako kyselina kolánová predlžuje životnosť C. elegans

Vedec z Baylor College of Medicine Meng Wang už ukázal, že baktérie, ktoré tvoria metabolit nazývaný kyselina kolánová (CA), môžu predĺžiť životnosť červov v jej laboratóriu až o 50%, ale jej spolupráca so syntetickým biológom Univerzity Rice Jeffreyom Taborom poskytuje nástroje na zodpovedanie väčšej otázky, ako metabolit dodáva dlhší život.

V štúdii publikovanej v eLife , Wang, Tabor a kolegovia ukázali, že môžu používať rôzne farby svetla na zapínanie a vypínanie génov črevných baktérií, kým sú baktérie v črevách červov. Prácu umožnil optogenetický riadiaci systém, ktorý Tabor vyvíja viac ako desať rokov.

Mengova skupina zistila, že zlúčenina CA môže predĺžiť životnosť, ale nedokázali s istotou povedať, či ide o diétnu zložku, ktorá sa trávi v žalúdku, alebo o metabolit, ktorý produkujú baktérie v črevách. Dokázali sme obmedziť produkciu CA v čreve a preukázať, že má priaznivý vplyv na bunky v črevách. “

Tábor, Docent pre bioinžinierstvo a biologické vedy, Univerzita ryže

Na experimenty, Taborovo laboratórium skonštruovalo kmene E. coli, aby sa CA vystavila zelenej, ale nie červená, svetlo. Aby ste sa uistili, že baktérie fungujú správne, tím pridal gény na vytvorenie rôznych farieb fluorescenčných proteínov, ktoré by sa pod mikroskopom jasne ukázali. Vždy bola prítomná jedna farba, aby bolo ľahké vidieť, kde sa baktérie nachádzali vo vnútri červov, a druhá farba bola vyrobená iba vtedy, keď baktérie produkovali CA.

V spolupráci s laboratóriom Wang, Taborovo laboratórium udržalo baktérie v červenom svetle a nakŕmilo ich červami, druh nazývaný Caenorhabditis elegans (C. elegans), ktorý sa bežne používa v prírodných vedách. Vedci sledovali postup baktérií tráviacim traktom a keď sa dostali do čriev, zapli zelené svetlo.

"Keď ste vystavení zelenému svetlu, červy nesúce tento kmeň E. coli tiež žili dlhšie. Čím silnejšie je svetlo, čím dlhšia je životnosť, “povedal Wang, Nadovaná stolička pre starnutie od Roberta C. Fyfeho, profesor molekulárnej a humánnej genetiky v Huffingtonovom centre pre starnutie v Baylor a vyšetrovateľ Howard Hughes Medical Institute.

V bunkách C. elegans a iného života vyššieho rádu od ľudí po kvasinky, špecializované organely nazývané mitochondrie dodávajú väčšinu energie. Tisíce mitochondrií pracujú nepretržite v každej bunke a udržiavajú dynamickú rovnováhu medzi štiepením a fúziou, ale postupom času sa stávajú menej výkonnými. Ako ľudia a ostatné organizmy starnú, dysfunkcia mitochondrií vedie k funkčnému úpadku ich buniek.

V predchádzajúcich pokusoch s C. elegans, Wang a kolegovia ukázali, že CA môže regulovať rovnováhu medzi mitochondriálnym štiepením a fúziou v črevných aj svalových bunkách, aby sa podporila dlhovekosť. Červy zvyčajne žijú asi tri týždne, Wangovo laboratórium však ukázalo, že CA im môže predĺžiť život na 4,5 týždňa - o 50% dlhšie ako obvykle.

Podľa Tabora to vyvoláva množstvo otázok. Napríklad ak sa CA tvorí v čreve, prospejú najskôr črevné bunky? Súvisí priaznivý účinok CA s jej úrovňou? A čo je najdôležitejšie, šíria sa mitochondriálne výhody z čriev do celého tela?

V eLife študovať, vedci zistili, že produkcia CA v čreve v krátkom čase priamo zlepšila mitochondriálne funkcie v črevných bunkách. Nenašli dôkazy o takom priamom krátkodobé mitochondriálne výhody vo svalových bunkách červov. Preto účinok CA podporujúci dlhovekosť začína v čreve a potom sa v priebehu času šíri do ďalších tkanív.

„S našou technológiou, pomocou svetla môžeme zapnúť produkciu CA a sledovať, ako sa efekt pohybuje cez červa, “Povedal Tábor.

Povedal, že presnosť optogenetickej technológie by mohla vedcom umožniť položiť si základné otázky o črevnom metabolizme.

„Ak dokážete presne riadiť načasovanie a umiestnenie produkcie metabolitov, môžete premýšľať o experimentálnych návrhoch, ktoré ukazujú príčinu a následok, " povedal.

Ukázať, že črevné baktérie majú priamy vplyv na zdravie alebo choroby, by bolo veľkým úspechom.

„Vieme, že črevné baktérie ovplyvňujú mnoho procesov v našom tele, „Povedal Tábor.“ Súvisia s obezitou, cukrovka, úzkosť, rakoviny, autoimunitné choroby, ochorenia srdca a obličiek. Došlo k explózii štúdií, ktoré merali, aké baktérie máte, keď máte túto chorobu alebo túto chorobu, a ukazuje všetky druhy korelácií. “

Je však veľký rozdiel medzi prejavom korelácie a kauzality, Povedal Tábor.

"Cieľ, vec, ktorú naozaj chceš, sú črevné baktérie, ktoré môžete jesť, ktoré zlepšia zdravie alebo liečia choroby, " povedal.

Pre výskumníkov je však ťažké dokázať, že molekuly produkované črevnými baktériami spôsobujú choroby alebo zdravie. Je to čiastočne preto, že do čreva je ťažko experimentálne prístupné, a je obzvlášť ťažké navrhnúť experimenty, ktoré ukazujú, čo sa deje na konkrétnych miestach v čreve.

"Do čreva sa ťažko dostanete, najmä u veľkých cicavcov, „Povedal Tábor.“ Naše črevá sú dlhé 28 stôp, a sú veľmi heterogénne. Hodnota pH sa v priebehu času mení a baktérie sa dramaticky menia. Rovnako tak tkanivá a to, čo robia, ako molekuly, ktoré vylučujú.

„Aby sme odpovedali na otázky o tom, ako črevné baktérie ovplyvňujú naše zdravie, musíte byť schopní zapnúť gény na konkrétnych miestach a v konkrétnych časoch, ako keď je zviera mladé alebo keď sa zviera ráno prebúdza, “povedal.„ Túto úroveň kontroly potrebujete na štúdium dráh na ich vlastnom trávniku, kde sa dejú a ako sa stanú “.

Pretože používa svetlo na spustenie génov, optogenetika ponúka túto úroveň kontroly, Povedal Tábor.

„Do tohto bodu, svetlo je skutočne jediným signálom, ktorý má dostatočnú presnosť na zapnutie bakteriálnych génov v tenkom a hrubom čreve, napríklad, alebo cez deň, ale nie v noci, " povedal.

Tabor povedal, že s Wangom diskutovali o mnohých spôsoboch, akými by mohli použiť optogenetiku na štúdium starnutia.

"Našla dva tucty bakteriálnych génov, ktoré môžu predĺžiť životnosť u C. elegans, a nevieme, ako väčšina z nich funguje, „Povedal Tábor.“ Gény kyseliny kolánovej sú skutočne zaujímavé, ale existuje mnoho ďalších, ktoré by sme chceli zapnúť svetlom v červovi, aby sme zistili, ako fungujú. Na preskúmanie týchto nových génov môžeme použiť aj presnú techniku, ktorú sme publikovali v tomto článku. A môžu ho použiť aj ďalší ľudia, ktorí študujú mikrobióm. Je to účinný nástroj na skúmanie toho, ako baktérie prospievajú nášmu zdraviu. “

• Fáza 2/3 štúdie COVID-19 hodnotí bezpečnosť,
• Nanoplasty ovplyvňujú zloženie a rozmanitosť ľudského črevného mikrobiómu