Systém prenosu genetického signálu pre črevný mikrobióm

Viac ako 1, V ľudskom čreve bolo identifikovaných 000 druhov baktérií, a porozumenie tomuto neuveriteľne rozmanitému „mikrobiómu“, ktorý môže výrazne ovplyvniť zdravie a choroby, je horúcou témou vedeckého výskumu. Pretože sú baktérie bežne geneticky upravované vo vedeckých laboratóriách, existuje veľké nadšenie z možnosti vyladiť gény našich črevných útočníkov tak, aby dokázali viac, než len pomôcť stráviť naše jedlo (napr. zaznamenávať informácie o stave čreva v reálnom čase, nahlásiť prítomnosť choroby, atď.). Avšak, málo sa vie o tom, ako všetky tieto rôzne kmene navzájom komunikujú, a či je vôbec možné vytvoriť druhy signálnych dráh, ktoré by umožnili prenos informácií medzi nimi.

Teraz, vedci z Wyss Institute na Harvardskej univerzite, Harvardská lekárska škola (HMS), a Brigham a ženská nemocnica úspešne skonštruovali systém prenosu genetického signálu, v ktorom je možné prijímať a zaznamenávať molekulárny signál vysielaný baktériami Salmonella Typhimurium v ​​reakcii na environmentálne podnety E. coli v črevách myši, priblíženie vedcov o krok bližšie k vývoju „syntetického mikrobiómu“ zloženého z baktérií, ktoré sú naprogramované tak, aby vykonávali konkrétne funkcie. Štúdia je uvedená v Syntetická biológia ACS .

„S cieľom zlepšiť ľudské zdravie pomocou umelo vytvorených črevných baktérií, musíme začať vymýšľať, ako prinútiť baktérie komunikovať, “povedala Suhyun Kim, postgraduálna študentka v laboratóriu Pamely Silverovej na Wyss Institute a HMS, ktorý je prvým autorom príspevku. „Chceme sa uistiť, že ako sa vyvíjajú upravené probiotiká, máme prostriedky na ich koordináciu a kontrolu v harmónii. “

Tím využil schopnosť, ktorá sa prirodzene vyskytuje v niektorých kmeňoch baktérií nazývaná „snímanie kvóra, "v ktorom baktérie vysielajú a prijímajú signálne molekuly, ktoré indikujú celkovú hustotu bakteriálnych kolónií a regulujú expresiu mnohých génov zapojených do skupinových aktivít. Konkrétny typ snímania kvóra známy ako acyl-homoserínový laktónový (acyl-HSL) senzor má zatiaľ neboli pozorované v čreve cicavcov, tím sa teda rozhodol zistiť, či by mohli jeho signálny systém znovu použiť na vytvorenie systému prenosu bakteriálnych informácií pomocou genetického inžinierstva.

Vedci zaviedli dva nové genetické okruhy do rôznych kolónií kmeňa E. coli baktérie:obvod „signalizátora“, a obvod „odpovedača“. Signálny obvod obsahuje jednu kópiu génu nazývaného luxI, ktorý je zapnutý molekulou anhydrotetracyklínom (ATC) a vytvára signalizačnú molekulu snímajúcu kvórum. Obvod odpovedača je štruktúrovaný tak, že keď sa na neho signálna molekula naviaže, gén nazývaný cro je aktivovaný na produkciu proteínu Cro, ktorý potom zapne „pamäťový prvok“ v obvode odpovedača. Pamäťový prvok vyjadruje dva ďalšie gény:LacZ a ďalšiu kópiu cro. Expresia LacZ spôsobuje, že baktéria zmodrie, ak je nanesená na špeciálny agar, čím sa vytvorí vizuálne potvrdenie, že signálna molekula bola prijatá. Extra kópia cro vytvára pozitívnu spätnú väzbu, ktorá udržuje zapnutý pamäťový prvok, zaistenie, aby baktéria pokračovala v expresii LacZ po dlhšiu dobu.

Vedci potvrdili, že tento systém funguje in vitro u oboch E. coli a S. Typhimurium baktérie, pozorujúc, že ​​odpovedajúce baktérie zmodreli, keď sa k signálnym baktériám pridal ATC. Aby sme zistili, či by to fungovalo in vivo, podali signalizátor aj odpovedač E. coli baktérie pre myši, a potom dala myšiam ATC do pitnej vody na dva dni. Keď sa analyzovali vzorky výkalov od myší, viac ako polovica myší vykazovala jasné známky prenosu signálu 3OC6HSL, ktoré pretrvávali po dvoch dňoch na ATC.

„Bolo vzrušujúce a sľubné, že náš systém, s obvodmi založenými na jednej kópii, môže vytvárať funkčnú komunikáciu v čreve myši, "Vysvetlila Kim." Tradičné genetické inžinierstvo zavádza do kópie bakteriálneho genómu viacnásobné kópie požadovaného génu prostredníctvom plazmidov, čo vytvára vysokú metabolickú záťaž na umelo vyrobené baktérie a spôsobuje, že sú ľahko prekonané inými baktériami v hostiteľovi. "

Nakoniec, tím zopakoval experiment in vivo, ale dal myšiam signalizátor S. Typhimurium baktérie a E. coli reagujúce baktérie, aby zistili, či je možné signál prenášať cez rôzne druhy baktérií v čreve myši. Všetky myši vykazovali známky prenosu signálu, potvrdzujúce, že navrhnuté obvody umožňovali komunikáciu medzi rôznymi druhmi baktérií v komplexnom prostredí čreva cicavcov.

Vedci dúfajú, že budú pokračovať v tejto línii skúmania tým, že navrhnú viac druhov baktérií, aby mohli komunikovať, a vyhľadávaním a vývojom ďalších signálnych molekúl, ktoré je možné použiť na prenos informácií medzi nimi.

„Nakoniec, Našim cieľom je vytvoriť syntetický mikrobióm s úplne alebo väčšinou upravenými druhmi baktérií v našom čreve, Každý z nich má špeciálnu funkciu (napr. zisťovanie a liečenie chorôb, vytváranie prospešných molekúl, zlepšenie trávenia, atď.), ale tiež komunikuje s ostatnými, aby sa ubezpečil, že sú všetky v rovnováhe pre optimálne ľudské zdravie, “povedal zodpovedajúci autor Silver, Ph.D., zakladajúci člen základnej fakulty Wyss Institute a Elliot T. a Onie H. Adams, profesor biochémie a systémovej biológie v HMS.

„Mikrobióm je ďalšou hranicou v medicíne a wellness. Vynájdenie nových technológií na lepšie inžinierstvo črevných mikróbov a zároveň ocenenie toho, že fungujú ako súčasť komplexnej komunity, ako sa tu robilo, predstavuje v tomto smere veľký krok vpred, “povedal zakladajúci riaditeľ Wyss Donald Ingber, M.D., Ph.D., ktorý je tiež Judah Folkman profesorom vaskulárnej biológie na HMS a programe vaskulárnej biológie v detskej nemocnici v Bostone, ako aj profesor bioinžinierstva v SEAS.

• Celo genómová asociačná štúdia odhaľuje potenciálne gény divertikulárneho ochorenia
• Kryptosporidióza sa zhoršuje bežne používaným probiotikom