Более 1000 видов бактерий были идентифицированы в кишечнике человека, и понимание этого невероятно разнообразного «микробиома», который может сильно влиять на здоровье и болезни, является горячей темой научных исследований. Поскольку бактерии обычно генетически конструируются в научных лабораториях, существует большое волнение по поводу возможности настройки генов наших кишечных нарушителей, чтобы они могли делать больше, чем просто помогать переваривать нашу пищу (например, записывать информацию о состоянии кишечника в реальном времени). -время, сообщить о наличии заболевания и т.д.). Однако мало что известно о том, как все эти разные штаммы взаимодействуют друг с другом и возможно ли вообще создать виды сигнальных путей, которые позволили бы передавать информацию между ними.
Теперь исследователи из Института Висса при Гарвардском университете, Гарвардской медицинской школы (HMS) и Бригама и женской больницы успешно разработали систему передачи генетического сигнала, в которой молекулярный сигнал, посылаемый бактериями Salmonella Typhimurium в ответ на Экологический сигнал может быть получен и записан E. coli в кишечнике мыши, что приблизило ученых на шаг ближе к разработке «синтетического микробиома», состоящего из бактерий, запрограммированных на выполнение определенных функций. Об исследовании сообщается в ACS Synthetic Biology..
«Чтобы улучшить здоровье человека с помощью инженерных кишечных бактерий, нам нужно начать выяснять, как заставить бактерии общаться», - сказал Сухён Ким, аспирант лаборатории Памелы Сильвер в Институте Висса и HMS., который является первым автором статьи.«Мы хотим убедиться, что по мере разработки искусственных пробиотиков у нас есть средства для их согласованной координации и контроля».
Команда использовала способность, которая естественным образом встречается у некоторых штаммов бактерий, называемую «чувством кворума», при которой бактерии посылают и получают сигнальные молекулы, которые указывают общую плотность бактериальной колонии и регулируют экспрессию многих задействованных генов. в групповой деятельности. Особый тип ощущения кворума, известный как ощущение ацил-гомосеринлактона (ацил-HSL), еще не наблюдался в кишечнике млекопитающих, поэтому команда решила посмотреть, смогут ли они перепрофилировать его сигнальную систему для создания бактериальной системы передачи информации с использованием генетики. инженерия.
Исследователи ввели две новые генетические цепи в разные колонии штамма бактерий E. coli: цепь «сигнализатор» и цепь «ответчик». Сигнальная цепь содержит единственную копию гена, называемого luxI, который включается молекулой ангидротетрациклина (ATC) и производит сигнальную молекулу, чувствительную к кворуму. Цепь респондера устроена таким образом, что когда сигнальная молекула связывается с ней, активируется ген cro для производства белка Cro, который затем включает «элемент памяти» в цепи респондера. Элемент памяти экспрессирует два дополнительных гена: LacZ и еще одну копию cro. Экспрессия LacZ заставляет бактерию становиться синей при посеве на специальный агар, что дает визуальное подтверждение того, что сигнальная молекула была получена. Дополнительная копия cro образует петлю положительной обратной связи, которая удерживает элемент памяти включенным, гарантируя, что бактерия продолжит экспрессировать LacZ в течение длительного периода времени.
Исследователи подтвердили, что эта система работает in vitro как в бактериях E. coli, так и в бактериях S. Typhimurium, наблюдая, что бактерии-респондеры становились синими, когда к сигнальным бактериям добавляли ATC. Чтобы увидеть, будет ли это работать в естественных условиях, они вводили мышам как сигнальные, так и реагирующие бактерии E. coli, а затем давали мышам ATC в питьевой воде в течение двух дней. Когда были проанализированы образцы кала мышей, более чем у половины мышей были обнаружены явные признаки передачи сигнала 3OC6HSL, которые сохранялись после двух дней приема ATC.
«Это было захватывающе и многообещающе, что наша система с цепями на основе единичных копий может создавать функциональную коммуникацию в кишечнике мыши», - объяснил Ким. «Традиционная генная инженерия вводит несколько копий интересующего гена в бактериальный геном через плазмиды, что создает большую метаболическую нагрузку на сконструированные бактерии и заставляет их легко вытесняться другими бактериями в организме-хозяине».
Наконец, команда повторила эксперимент in vivo, но дала мышам сигнальные бактерии S. Typhimurium и бактерии-респондеры E. coli, чтобы увидеть, может ли сигнал передаваться между различными видами бактерий в кишечнике мыши. Все мыши демонстрировали признаки передачи сигнала, подтверждая, что сконструированные цепи обеспечивают связь между различными видами бактерий в сложной среде кишечника млекопитающих.
Исследователи надеются продолжить это направление исследований, создав больше видов бактерий, чтобы они могли общаться, а также путем поиска и разработки других сигнальных молекул, которые можно использовать для передачи информации между ними.
В конечном счете, мы стремимся создать синтетический микробиом с полностью или в основном сконструированными видами бактерий в нашем кишечнике, каждый из которых имеет специализированную функцию (например, обнаружение и лечение болезней, создание полезных молекул, улучшение пищеварения и т. д.).), но также общается с другими, чтобы убедиться, что все они сбалансированы для оптимального здоровья человека», - сказал автор-корреспондент Сильвер, доктор философии, член-основатель факультета Института Висса, который также является Эллиотом Т. и Оние Х. Адамс, профессор биохимии и системной биологии HMS.
«Микробиом - это следующий рубеж в медицине и велнесе. Разработка новых технологий для улучшения кишечных микробов с учетом того, что они функционируют как часть сложного сообщества, как это было сделано здесь, представляет собой важный шаг. двигаться вперед в этом направлении», - заявил директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, М. D., Ph. D., который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в SEAS.