Nehmen Sie zwei E. coli und rufen Sie mich am morgen: Synthetische bakterielle Speicher-schaltungen ermöglichen die mikrobielle Diagnostik für die Sensorik von Biomolekülen in den Darm

Nehmen Sie zwei E. coli und rufen Sie mich am morgen: Synthetische bakterielle Speicher-schaltungen ermöglichen die mikrobielle Diagnostik für die Sensorik von Biomolekülen in den Darm

Millionen von Menschen nehmen Kapseln von Probiotika mit dem Ziel der Verbesserung Ihrer Verdauung, aber was ist, wenn diese Bakterien auch in der Lage waren zu erkennen, Krankheiten im Darm und zeigen an, wenn etwas schief ist? Neue Forschung von der Wyss Institut an der Harvard University und der Harvard Medical School (HMS) wurde ein wirksames, nicht-invasiven Weg, um schnell zu identifizieren neue bakterielle Biosensoren, die erkennen können, und das Vorhandensein von verschiedenen Erkrankungen Triggern in den Darm, helfen, setzen die Bühne für eine neue Grenze des Verdauungs-Gesundheits-überwachung und-Behandlung. Das Papier ist veröffentlicht in mSystems.

„Unser Verständnis von, wie die menschlichen Darm microbiome verhält, ist noch in seinen frühen Stufen, die behindert hat groß angelegte Forschung in die Schaffung Biosensoren aus lebenden Bakterien,“ sagte David Riglar, Ph. D., ein ehemaliger postdoc am Wyss-Institut und HMS wer führt nun eine Forschergruppe Sir Henry Dale Fellow am Imperial College London. „Diese Arbeit bietet eine high-throughput Plattform zur Identifizierung von genetische Elemente in Bakterien, die reagieren auf unterschiedliche Signale in den Darm, was uns einen Schritt näher zum engineering von komplexen Signalwege in Bakterien, die es Ihnen ermöglichen, zu erkennen und sogar Behandlung von Krankheiten langfristig zu erhalten.“

Die neue Plattform baut auf früheren arbeiten aus dem Labor von Wyss Gründung Kern Mitglied der Fakultät Pamela Silver, Ph. D. entwickelt einen genetischen Regelkreis, bestehend aus einem „Speicher-element“, abgeleitet von einem virus und einem synthetischen „trigger element“, die zusammen können Sie erkennen und erfassen die Anwesenheit eines bestimmten stimulus — ursprünglich eine deaktivierte version von dem Antibiotikum Tetracyclin. Die synthetischen Schaltung integriert wurde in das Erbgut von E. coli-Bakterien, die eingeführt wurden in den live-Mäuse, die waren dann gegeben, Tetracyclin. Das Antibiotikum verursacht die trigger-element in der bakteriellen Schaltung zum aktivieren der Speicher-element, die „gespiegelt“ wie ein Schalter, der blieb „auf“ bis zu eine Woche, so dass die Bakterien „, erinnerte sich“ die Gegenwart des Tetracyclin. Die „auf“ – signal war dann leicht zu Lesen, durch nicht-invasive Analyse der Tiere mit Kot.

Das team weiter gezeigt, dass die Schaltung könnte optimiert werden, zu erkennen und zu melden tetrathionate (ein natürlich vorkommendes Molekül, der angibt, das Vorhandensein von Entzündungen) im Darm von lebenden Mäusen für bis zu sechs Monate nach einer Einführung in die Tiere, die zeigen, dass Ihr system könnte verwendet werden, um die monitor-Signale, die wäre nützlich für die Diagnose von Krankheitszuständen in den Darm langfristig.

Aber tetrathionate ist nur ein Molekül; im Hinblick auf die Entwicklung neuer Bakterien-Diagnostik, mussten die Forscher einen Weg, um schnell den test verschiedener potentieller trigger-Elemente zu sehen, ob Sie reagieren könnten, um mehr Krankheiten-Signale.

Erste, Sie verändert den genetischen Regelkreis durch das hinzufügen einer Antibiotika-Resistenz-gen, das aktiviert wird, wenn der Speicher-element gespiegelt wird, in seinem „an“ – Zustand, so dass Bakterien, dass „erinnern“ ein trigger, um zu überleben Exposition gegenüber dem Antibiotikum spectinomycin. Testen Sie Ihre aktualisierte Schaltung gegen eine Vielzahl von molekularen Signalen, die Sie erstellt eine Bibliothek von verschiedenen Stämmen von E. coli, die jeweils enthalten die Speicher-element und einem einzigartigen trigger-element in seinem Genom. Diese Bibliothek der Bakterienstämme wurde dann eingeführt in die Grundlagen von live Mäuse, um zu sehen, wenn eine der trigger-Elemente, die aktiviert wurden durch Stoffe, die in die Mäuse Darm. Wenn Sie wuchs Bakterien aus der Maus fäkalen Proben in einem medium geschnürt mit spectinomycin, Sie fanden, dass eine Anzahl von Stämmen wuchs, der angibt, dass Ihr Speicher-Elemente umgewandelt worden war, die während der passage durch die Mäuse. Zwei der Stämme in allem zeigten konsistent die Aktivierung, selbst, wenn Sie an Mäuse in der Isolierung, der angibt, dass Sie aktiviert wurden, die durch Bedingungen im inneren der Mäuse ist gut und könnte als sensoren von Darm-spezifischen Signale.

Die Forscher wiederholten das experiment mit einer kleineren Bibliothek von E.-coli-Stämme, deren trigger-Elemente wurden genetische Sequenzen gedacht werden, von Entzündungen, von denen zehn aktiv waren während des Transports durch die Mäuse. Wenn diese Bibliothek wurde verabreicht, um die Mäuse, Darm-Entzündung, eine bestimmte Sorte zeigte eine stärkere memory-Antwort in Mäusen, die mit Entzündung im Vergleich zu gesunden Mäusen bestätigt, dass es in der Lage war, um erfolgreich zu erfassen die Anwesenheit von entzündlichen Biomoleküle in der Maus gut und so konnte dienen als Wohn-monitor von Magen-Darm-Gesundheit.

„Die Schönheit dieser Methode ist, dass es uns ermöglicht, zu identifizieren Biosensoren, die bereits in der Natur vorhanden sind, dass wir nicht in der Lage, uns selbst entwerfen, da so viel von der Funktion und regulation der bakteriellen Genome ist noch unbekannt,“ sagte ersten Autor Alexander Naydich, der vor kurzem seinen Ph. D. in der Silber-lab. „Wir sind wirklich unter Ausnutzung der unglaubliche genetische Vielfalt der mikrobiom-zu Hause in den möglichen Lösungen schnell und effektiv.“

Zusätzliche Funktionen des Systems umfassen die Fähigkeit zur Erfassung von Signalen, die auftreten, entweder chronisch oder vorübergehend im Darm, sowie einstellbare Empfindlichkeit in form von synthetic ribosome binding site (RBS) Sequenzen entwickelt, in der trigger-Elemente Steuern können, dass die rate, mit der die Projektträger dazu verleiten kann, eine „on“ memory-Zustand in Antwort auf ein signal. Diese Funktionen ermöglichen die Feinabstimmung von bakteriellen Biosensoren zur Erkennung von bestimmten Bedingungen innerhalb der Darm über einen langen Zeitraum.

„Wir waren in der Lage, Voraus, diese Technologie von einem Werkzeug, dass die tests für eine Sache, ein Werkzeug, mit dem test für mehrere Dinge gleichzeitig, das ist nicht nur nützlich für die Identifizierung neuer potentieller Biosensoren, könnte aber eines Tages entwickelt, die in einem Probiotikum-wie Pille mit anspruchsvollen Kollektionen von Bakterien, die Sinne und das aufzeichnen mehrerer Signale gleichzeitig, so dass ärzte zu „Fingerabdruck“ einer Krankheit und haben größeres Vertrauen in die Diagnose,“ sagte Pamela Silber, wer ist auch der Elliot T. und Onie H. Adams Professor für Biochemie und Systembiologie an der HMS.

„Die anhaltenden Fortschritte, die durch das Silber-team bei der Entwicklung von Wohn-cellular-Geräte, die auf der genetischen Umgestaltung der mikrobiom-repräsentiert einen völlig neuen Ansatz für low-cost-Diagnose. Dieser Ansatz hat das Potenzial, radikal verändern, wie wir die Interaktion mit und Steuerung Biologischer Systeme, einschließlich unserer eigenen Körper,“ sagte Wyss Gründungsdirektor Donald Ingber, M. D., Ph. D., der auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der HMS und der Vaskulären Biologie-Programm an der Boston Kinderkrankenhaus, sowie Professor für Bioengineering an der Harvard ‚ s John A. Paulson School of Engineering und Applied Sciences.