Et genetisk signaloverføringssystem for tarmmikrobiomet

Mer enn 1, 000 bakteriearter er identifisert i tarmene hos mennesker, og å forstå dette utrolig mangfoldige "mikrobiomet" som i stor grad kan påvirke helse og sykdom, er et hett tema i vitenskapelig forskning. Fordi bakterier rutinemessig er genetisk konstruert i vitenskapslaboratorier, det er stor spenning om muligheten for å justere genene til våre tarminterlopere slik at de kan gjøre mer enn bare å hjelpe til med å fordøye maten vår (f.eks. registrere informasjon om tarmens tilstand i sanntid, rapportere tilstedeværelse av sykdom, etc.). Derimot, lite er kjent om hvordan alle de forskjellige stammene kommuniserer med hverandre, og om det i det hele tatt er mulig å lage typer signalveier som gjør at informasjon kan passeres mellom dem.

Nå, forskere fra Wyss Institute ved Harvard University, Harvard Medical School (HMS), og Brigham og Women's Hospital har vellykket konstruert et genetisk signaloverføringssystem der et molekylært signal sendt av Salmonella Typhimurium-bakterier som svar på en miljøstik kan mottas og registreres av E coli i tarmen til en mus, bringe forskere et skritt nærmere å utvikle et "syntetisk mikrobiom" sammensatt av bakterier som er programmert til å utføre spesifikke funksjoner. Studien er rapportert i ACS syntetisk biologi .

"For å forbedre menneskers helse gjennom konstruerte tarmbakterier, vi må begynne å finne ut hvordan vi får bakteriene til å kommunisere, "sa Suhyun Kim, en doktorgradsstudent i laboratoriet til Pamela Silver ved Wyss Institute og HMS, som er den første forfatteren av avisen. "Vi vil sørge for at som utviklet probiotika utvikler seg, vi har et middel til å koordinere og kontrollere dem i harmoni. "

Teamet utnyttet en evne som naturlig forekommer i noen bakteriestammer kalt "quorum sensing, "der bakteriene sender og mottar signalmolekyler som indikerer den totale tettheten til bakteriekolonien og regulerer uttrykket for mange gener som er involvert i gruppeaktiviteter. En spesiell type quorum-sensing kjent som acyl-homoserin lakton (acyl-HSL) sensing har ennå ikke blitt observert i tarmene hos pattedyr, så teamet bestemte seg for å se om de kunne gjenbruke signalsystemet for å lage et bakterielt informasjonsoverføringssystem ved hjelp av genteknologi.

Forskerne introduserte to nye genetiske kretser i forskjellige kolonier av en stamme av E coli bakterier:en "signaler" krets, og en "responder" krets. Signaleringskretsen inneholder en enkelt kopi av et gen som kalles luxI som blir slått på av molekylet anhydrotetracyklin (ATC) og produserer et kvorumfølende signalmolekyl. Responderkretsen er strukturert slik at når signalmolekylet binder seg til det, et gen som kalles cro aktiveres for å produsere proteinet Cro, som deretter slår på et "minneelement" i responderkretsen. Hukommelseselementet uttrykker to ekstra gener:LacZ og en annen kopi av cro. Uttrykket av LacZ får bakterien til å bli blå hvis den blir belagt på en spesiell agar, og gir dermed visuell bekreftelse på at signalmolekylet er mottatt. Den ekstra kopien av cro danner en positiv tilbakemeldingssløyfe som holder minneelementet på, sikre at bakterien fortsetter å uttrykke LacZ over en lengre periode.

Forskerne bekreftet at dette systemet fungerer in vitro i begge E coli og S. Typhimurium bakterie, observere at responderbakteriene ble blå da ATC ble tilsatt signalerbakteriene. For å se om det ville fungere in vivo, de administrerte både signaler og responderer E coli bakterier til mus, og ga musene ATC i drikkevannet i to dager. Da fekale prøver fra musene ble analysert, over halvparten av musene viste klare tegn på 3OC6HSL signaloverføring som vedvarte etter to dager på ATC.

"Det var spennende og lovende at systemet vårt, med enkelt kopibaserte kretser, kan skape funksjonell kommunikasjon i musetarmen, "forklarte Kim." Tradisjonell genteknologi introduserer flere kopier av et gen av interesse i bakteriegenomet via plasmider, som legger en stor metabolsk belastning på de konstruerte bakteriene og får dem til å bli lett utkonkurrert av andre bakterier i verten. "

Endelig, teamet gjentok in vivo -eksperimentet, men ga musene signaler S. Typhimurium bakterier og E coli responderer bakterier, for å se om signalet kan overføres over forskjellige bakteriearter i musens tarm. Alle mus viste tegn på signaloverføring, bekrefter at de konstruerte kretsene tillot kommunikasjon mellom forskjellige bakteriearter i det komplekse miljøet i pattedyret.

Forskerne håper å fortsette denne undersøkelsen ved å konstruere flere bakteriearter slik at de kan kommunisere, og ved å søke etter og utvikle andre signalmolekyler som kan brukes til å overføre informasjon mellom dem.

"Til syvende og sist, vi tar sikte på å lage et syntetisk mikrobiom med helt eller for det meste konstruerte bakteriearter i tarmen, som hver har en spesialisert funksjon (f.eks. oppdage og kurere sykdom, skape gunstige molekyler, forbedrer fordøyelsen, etc.), men kommuniserer også med de andre for å sikre at de alle er balansert for optimal menneskelig helse, "sa den tilsvarende forfatteren Silver, Ph.D., et grunnleggende kjernefakultetsmedlem i Wyss Institute, som også er Elliot T. og Onie H. Adams professor i biokjemi og systembiologi ved HMS.

"Mikrobiomet er den neste grensen innen medisin så vel som velvære. Utvikler ny teknologi for å utvikle tarmmikrober til det bedre, samtidig som de setter pris på at de fungerer som en del av et komplekst fellesskap, som ble gjort her, representerer et stort skritt fremover i denne retningen, "sa Wyss Founding Director Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman professor i vaskulærbiologi ved HMS og vaskulærbiologiprogrammet ved Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved SEAS.

• Genomeomfattende foreningsstudie avslører potensielle gener bak divertikulær sykdom
• Kryptosporidiose forverret av ofte brukt probiotika