Кишечные микробы играют разностороннюю роль в здоровье и болезнях, но не хватает инструментов для исследования взаимосвязи между микробной активностью и физиологией хозяина. Два независимых исследования на мышах, опубликованные 20 апреля в журнале Cell, преодолели это препятствие, позволив одновременно визуализировать несколько бактериальных штаммов в кишечнике, заставив их экспрессировать уникальные комбинации флуоресцентных белков. Этот подход позволил исследователям точно определить местонахождение бактерий в кишечнике на основе испускаемой ими радуги цветов. Кроме того, эти инструменты также позволяли точно контролировать активность бактериальных генов в реальном времени и в определенных местах.
«Мы обнаружили, что инструменты синтетической биологии могут позволить нам задать новые вопросы о микробиоте кишечника», - говорит Эндрю Гудман из Медицинской школы Йельского университета, старший автор одного из исследований. «Мы также полагаем, что эти стратегии могут стать отправной точкой для доставки по требованию терапевтических средств или других молекул из микробиоты».
Достижения в технологии секвенирования позволили провести углубленную характеристику видов бактерий, обитающих в кишечнике, но инструменты для манипулирования кишечным микробиомом сильно отстали. Хотя инструменты были разработаны для модельных организмов, таких как Escherichia coli, эти системы не работают с Bacteroides, самым многочисленным родом в кишечнике людей в Соединенных Штатах.
В одном из исследований Джастин Зонненбург из Медицинской школы Стэнфордского университета и его команда разработали способ создания Bacteroides, позволяющий одновременно отслеживать несколько бактериальных штаммов в кишечнике. Эти инструменты включали набор синтетических промоторов - последовательностей ДНК, которые инициируют транскрипцию определенных генов.
Используя эту панель промоторов, исследователи генетически сконструировали шесть различных видов Bacteroides для получения уникальных комбинаций красного флуоресцентного белка (RFP), называемого mCherry, и зеленого флуоресцентного белка (GFP). Они вводили модифицированные виды мышам, выращенным в стерильной среде, и через две недели проанализировали срезы ткани толстой кишки с помощью флуоресцентного микроскопа, чтобы точно определить местонахождение бактерий в различных частях кишечника.
В отдельном эксперименте Зонненбург и его команда генетически сконструировали два штамма Bacteroides для производства либо GFP, либо RFP. Затем они вводили штамм, экспрессирующий RFP, в кишечник мыши, а через неделю - штамм, экспрессирующий GFP. Было ясно, что штамм, экспрессирующий RFP, успешно колонизировал толстую кишку и превзошел штамм, экспрессирующий GFP, особенно в трубчатых железах, называемых криптами. Полученные данные показывают, что колонизация этих специфических кишечных структур является ключевым шагом, позволяющим долгоживущим обитателям кишечника превзойти вторгшиеся виды.
В будущих исследованиях Зонненбург и его команда продолжат разработку этих инструментов, позволяющих конструировать бактерии для производства белков в точное время или в определенном месте. «С коммерческой точки зрения инструменты экспрессии могут позволить нам доставлять терапевтические белки в кишечник, производя их в микробах, которые живут внутри нас», - говорит Уэстон Уитакер, ведущий автор исследования в Стэнфорде. «Использование бактериальных клеток для доставки лекарств открывает двери для умных терапевтических средств, которые производятся в нужное время и в нужном месте».
В другом исследовании Эндрю Гудман из Йельского университета и его команда также разработали группу синтетических промоторов, позволяющих точно контролировать активность генов у различных видов Bacteroides. Исследователи интегрировали эти промоторы в геном Bacteroides и модулировали активность генов, используя систему, регулируемую тетрациклином, которая позволяет транскрипции обратимо включаться или выключаться в зависимости от присутствия синтетического соединения, называемого ангидротетрациклином.
В выключенном состоянии активность генов, контролируемая синтетическими промоторами, была полностью отключена, но в присутствии ангидротетрациклина активность генов быстро увеличивалась в 9000 раз. Затем исследователи вводили сконструированные бактерии мышам. и подтвердили, что их инструменты позволяют жестко контролировать активность генов в кишечных бактериях, просто добавляя различное количество ангидротетрациклина в питьевую воду мышей.
Если распространить этот подход на людей, этот подход потенциально может обеспечить доставку терапевтических соединений по требованию. Кроме того, точный контроль активности бактериального гена в определенных местах желудочно-кишечного тракта может быть достигнут путем введения ангидротетрациклина различными путями, например, с помощью капсул с отсроченным высвобождением, зависящим от времени или рН, или хирургическим путем посредством катетеризации. В будущих исследованиях Гудман и его команда будут применять свою систему к другим микробам и другим типам взаимодействия между кишечными микробами и их хозяевами.
«Эти инструменты открывают двери для новых типов исследований, чтобы лучше понять нашу микробиоту и определить, как кишечные симбиотические бактерии могут быть разработаны для терапевтических целей», - говорит Зонненбург. «Однако, прежде чем можно будет разработать кишечные комменсалы для лечения, важно разработать методы безопасной и надежной колонизации кишечника человека, что потребует дополнительных исследований».