Ett genetiskt signalöverföringssystem för tarmmikrobiomet

Mer än 1, 000 arter av bakterier har identifierats i människans tarm, och att förstå denna otroligt mångsidiga "mikrobiom" som kan påverka hälsa och sjukdomar är ett hett ämne inom vetenskaplig forskning. Eftersom bakterier rutinmässigt är genetiskt konstruerade i vetenskapliga laboratorier, det finns stor spänning över möjligheten att justera generna i våra tarminterlopers så att de kan göra mer än bara hjälpa till att smälta vår mat (t.ex. registrera information om tarmens tillstånd i realtid, rapportera förekomst av sjukdom, etc.). Dock, lite är känt om hur alla dessa olika stammar kommunicerar med varandra, och om det ens är möjligt att skapa de typer av signalvägar som gör att information kan överföras mellan dem.

Nu, forskare från Wyss Institute vid Harvard University, Harvard Medical School (HMS), och Brigham och Women's Hospital har framgångsrikt konstruerat ett genetiskt signalöverföringssystem där en molekylär signal som skickas av Salmonella Typhimurium-bakterier som svar på en miljömätning kan tas emot och registreras av E coli i en mus, föra forskare ett steg närmare att utveckla ett "syntetiskt mikrobiom" som består av bakterier som är programmerade att utföra specifika funktioner. Studien rapporteras i ACS syntetisk biologi .

"För att förbättra människors hälsa genom konstruerade tarmbakterier, vi måste börja ta reda på hur vi får bakterierna att kommunicera, "sa Suhyun Kim, en doktorand i labbet av Pamela Silver vid Wyss Institute och HMS, vem är den första författaren till tidningen. "Vi vill se till att som utvecklad probiotika utvecklas, vi har ett sätt att samordna och kontrollera dem i harmoni. "

Teamet utnyttjade en förmåga som naturligt förekommer i vissa bakteriestammar som kallas "kvorumavkänning, "där bakterierna skickar och tar emot signalmolekyler som indikerar bakteriekoloniens totala densitet och reglerar uttrycket av många gener som är involverade i gruppaktiviteter. En särskild typ av kvorumavkänning som kallas acyl-homoserinlakton (acyl-HSL) -avkänning har ännu inte observerats i däggdjurs tarmen, så teamet bestämde sig för att se om de kunde återanvända dess signalsystem för att skapa ett bakteriellt informationsöverföringssystem med hjälp av genteknik.

Forskarna introducerade två nya genetiska kretsar i olika kolonier av en stam av E coli bakterier:en "signaler" -krets, och en "responder" -krets. Signaleringskretsen innehåller en enda kopia av en gen som kallas luxI som slås på av molekylen anhydrotetracyklin (ATC) och producerar en kvorumavkännande signalmolekyl. Responderkretsen är uppbyggd så att när signalmolekylen binder till den, en gen som kallas cro aktiveras för att producera proteinet Cro, som sedan slår på ett "minneselement" inom responderkretsen. Minneselementet uttrycker ytterligare två gener:LacZ och en annan kopia av cro. Uttrycket av LacZ får bakterien att bli blå om den pläteras på en speciell agar, vilket ger visuell bekräftelse på att signalmolekylen har mottagits. Den extra kopian av cro bildar en positiv återkopplingsslinga som håller minneselementet på, säkerställa att bakterien fortsätter att uttrycka LacZ under en längre tid.

Forskarna bekräftade att detta system fungerar in vitro i båda E coli och S. Typhimurium bakterie, observera att responderbakterierna blev blå när ATC tillsattes signaleringsbakterierna. För att se om det skulle fungera in vivo, de administrerade både signalerare och responder E coli bakterier till möss, och gav sedan mössen ATC i sitt dricksvatten i två dagar. När fekala prover från mössen analyserades, över hälften av mössen visade tydliga tecken på 3OC6HSL -signalöverföring som kvarstod efter två dagar på ATC.

"Det var spännande och lovande att vårt system, med enkla kopieringsbaserade kretsar, kan skapa funktionell kommunikation i musens tarm, "förklarade Kim." Traditionell genteknik introducerar flera kopior av en gen av intresse i bakteriegenomet via plasmider, vilket lägger en hög metabolisk börda på de konstruerade bakterierna och gör att de lätt kan utkonkurreras av andra bakterier i värden. "

Till sist, laget upprepade in vivo -experimentet, men gav mössen signalerare S. Typhimurium bakterier och E coli responderande bakterier, för att se om signalen kan överföras över olika bakteriearter i musens tarm. Alla möss visade tecken på signalöverföring, bekräftar att de konstruerade kretsarna möjliggjorde kommunikation mellan olika bakteriearter i den komplexa miljön hos däggdjurstarmarna.

Forskarna hoppas kunna fortsätta denna undersökning genom att konstruera fler bakteriearter så att de kan kommunicera, och genom att söka efter och utveckla andra signalmolekyler som kan användas för att överföra information mellan dem.

"I sista hand, vi strävar efter att skapa ett syntetiskt mikrobiom med helt eller mestadels konstruerade bakteriearter i vår tarm, var och en har en specialiserad funktion (t.ex. upptäcka och bota sjukdomar, skapa fördelaktiga molekyler, förbättra matsmältningen, etc.) men kommunicerar också med de andra för att säkerställa att de alla är balanserade för optimal människors hälsa, "sade motsvarande författare Silver, Ph.D., en grundande kärnfakultetsmedlem vid Wyss Institute som också är Elliot T. och Onie H. Adams professor i biokemi och systembiologi vid HMS.

"Mikrobiomet är nästa gräns inom medicin såväl som friskvård. Att utveckla ny teknik för att utveckla tarmmikrober till det bättre samtidigt som man uppskattar att de fungerar som en del av ett komplext samhälle, som man gjorde här, representerar ett stort steg framåt i denna riktning, "sade Wyss grundande direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS och Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingenjör vid SEAS.

• Genomomfattande associeringsstudie avslöjar potentiella gener bakom divertikulär sjukdom
• Cryptosporidios förvärrades av vanligt förekommande probiotika