Gentechnisch veränderten Bakterien Sinne erinnern , und berichten über ihre Erfahrungen im Darm

Es ist ein Dschungel dort. In der dicht gewebte Ökosystem des menschlichen Darms , Billionen Bakterien konkurrieren miteinander auf einer täglichen Basis , während sie zu erfassen und zu reagieren, um Signale von dem Immunsystem aufgenommenen Nahrung und anderen Bakterien.

Probleme entstehen, wenn schlechte Darm Bugs holen freundlichen Kreaturen , oder wenn das Immunsystem aus dem Gleichgewicht gebracht , wie in Morbus Crohn . Zöliakie und Darmkrebs . Ärzte haben gekämpft, um diese Bedingungen zu früh und genau zu bestimmen. Aber jetzt eine neue technisch -Stamm E. coli Bakterien können Status-Updates für diese Anlage Landschaft liefern zu helfen, Magen-Darm- Erkrankungen in Schach.

Der neue Stamm zerstörungsfrei erkannt und erfasst ein Umweltsignalin der Maus gut und erinnerte sich , was er "sah . " Der Vormarsch , in den Proceedings of the National Academy of Sciences berichtet , könnte zu einer radikal neuen Screening-Tool für die Darmgesundheit menschliche führen .

Der Schlüssel zum Drehen E. coli in Darm Reporter war es, eine bekannte genetische Schalter, der bei einem bestimmten Umgebungs cue abfühlt Flips einzufügen. Dieser Schalter verleiht den Zellen die Fähigkeit zu "erinnern" , was sie spüren, für bis zu einer Woche - lange genug , damit Wissenschaftler Kotproben zu erholen und zu testen, ob der Schalter umgedreht .


Von der Natur inspiriert , entwickelt das Team von E. coli zu spüren , aufnehmen und erinnern ein Umweltsignalim Darm - und auch gezeigt, dass sie in komplexen Umgebungen wie Säugetieren gut überleben und Funktion . Diese Arbeit legt den Grundstein für die Nutzung gentechnisch probiotischen Bakterien , die als Wohn Diagnose dienen . In dieser schematischen wurden entwickelt probiotischen E. coli die Säugetierdarm und "erinnern" Exposition gegenüber einem Umweltsignal , das von den Zellen sich blau in Farbe angezeigt wird besiedelt.
Bildnachweis : Jonathan Kotula , Harvard Wyss Institute und der Harvard Medical School

"Dieser Erfolg ebnet den Weg in Richtung programmiert mit synthetischen Gens Schaltungen Lebens Monitore ", sagte Wyss Institut Kern Dozentin Pamela Silber , Ph.D., Senior- Autor der Studie , der auch der Elliott T. und H. Adams Onie Professor für Biochemie und Systembiologie an der Harvard Medical School (HMS) . Silber -Team enthalten James Collins , Ph.D., der auch ein Wyss Kernfakultätsmitgliedund Professor für Biotechnik an der Boston University , sowie weitere Mitarbeiter aus der Wyss Institut , der Harvard Medical School und der Boston University. "Es könnte zu neuen Diagnose für alle Arten von komplexen Umgebungen zu führen."

Der Ansatz Silber -Team nahm im Widerspruch zu den vorherrschenden Dogma in der synthetischen Biologie , die genetischen Systeme, die das Zellverhalten von Grund auf neu zu entwerfen fahren ist , sagte Wyss Institut Senior Staff Scientist Jeff Way , Ph.D., Co-Autor auf dem Papier. Auf der anderen Seite , " Die Natur hat eine erprobte und wahre Blaupause für Speichersysteme , wenn Sie wissen , wo sie suchen , " sagte Way . " Warum nicht einfach akzeptieren, Natur , wie sie ist , und den Ausbau des Netzes von dort ? "

Die genetischen Schalter das Team in E. coli eingeführt kam von Lambda-Phagen , ein Virus, das häufig greift dieses Bakterium .

Nach Invasion E. coli , Lambda legt in der Regel gering ist, das Leben in einem Stealth-Modus genannt Lysogenie in der seine DNA treibt sich einfach in der E. coli -Genom . Aber wenn das Bakterium die DNA beschädigt ist - und nur dann - der Schalter kippt , Anweisen des Virus auf einen Modus genannt Lyse in dem sie vermehrt im Inneren der Zelle und bricht durch ihre Membran in einer Art Explosions mikrobiellen einzugeben.

" Dies ist ein sehr stabiles System in der Natur ", sagte führen Autor Jonathan Kotula , Ph.D., ein Postdoctoral Fellow an der HMS , die auch mit der Wyss Institute. " Wir wussten, dass die Lambda- Schalter würde ein großer Kandidat für das Speicherelement , und wir zwickte es einfach , um unsere Bedürfnisse zu erfüllen. "

Die Zellen mit der technisch Lambda Schalter nicht werden unter allen Bedingungen lytische . Kotula und der Rest der Silber -Team verwendete Standard molekulargenetischen Werkzeugen zu manipulieren der Schalter , so dass er eingeschaltet wird nur in Anwesenheit eines inaktiven Form der Antibiotikum Tetracyclin .

In Laborversuchen , wandte sich der Schalter innerhalb von ein paar Stunden nach der Exposition gegenüber dem Antibiotikum - und blieb in diesem "ON" Zustand innerhalb E. coli für eine Woche oder mehr , auch wenn die Bakterien wuchsen und aufgeteilt. Kurz gesagt, die Zellen "erinnert" , dass sie dieses Molekül im Darm gesehen .

" Es war wirklich schockierend, wie sauber die Experimente gearbeitet", sagte Jordan Kerns, Ph.D., ein Postdoctoral Fellow Wyss Institut .

Aber um als lebendige Diagnosefunktion , die entwickelt E. coli hatte auch ihre Reise durch den Darm intakt , die sie wirksam gegen Rivalen gut Mikroben konkurrieren hatte gemeint überleben.

Die technisch Belastung funktionierte gut in Laborversuchen , aber allmählich , wenn das Team führte sie in den Darm der Maus selbst . Es stellte sich heraus , dass sie von nativen Darmflora des Tieres outcompeted worden . Das Team hat nicht angesichts dieses Ergebnisses ärgern , weil sie wussten , dass der klassische Stamm von E. coli sie benutzt hatte, nur im Labor seit den 1940er Jahren lebte - verlieren ihre Fähigkeit, in der realen Welt zu konkurrieren , insbesondere in einer Umgebung wie anspruchs als Säugetier- Darm.

Sie gingen das Problem durch Isolieren eines nativen Stamm von E. coli aus dem Maus- Darm über Engineering seinem Genom , um den Schalter zu integrieren. Die Schalter in den Zellen innerhalb weniger Stunden umgedreht , wie es vorher war , und die Zellen "erinnert" für etwa eine Woche , dass sie das Antibiotikum im Darm gesehen, sagte Kotula . Darüber hinaus stabilisiert die Bevölkerung im Darm , behauptet sich in der Gegenwart von anderen Bakterien .

Das Team sieht ein Tag, an dem ein Arzt würde einem Patienten eine Belastung von gentechnisch veränderten Bakterien als Diagnose geben , so sehr sie einen probiotischen heute geben . Der Stamm würde Ordnung gebracht, um den Darm für eine beliebige Anzahl von Zuständen von überwachen Entzündung um Krankheitsmarker . Bei einem Folgebesuch würde der Patient eine Stuhlprobe unterwerfen und Medizintechniker würde E. coli aus der Probe zu sammeln und zu analysieren. Nur dann, wenn der Schalter ( oder Schalter ) waren würde der Arzt durchführen invasive Tests wie eine Endoskopie oder eine Darmspiegelung .

Denn jetzt ist das Team über genetisch Optimierungen der Speicherelement ihres Systems , so dass die Zellen daran erinnern, für noch längere Zeit , und Technik so der Schalter kippt , wenn es andere chemische Signaturen erkennt auch , wie sie von Krebs oder Parasiten Schwerpunkt . Auf längere Sicht könnten die gentechnisch veränderten Bakterien eines Krankheitszustandes spüren, und die Arbeit mit anderen genetischen Schaltkreise entwickelt , die ein bestimmtes Medikament auf Befehl produzieren kann , wodurch eine dynamische Therapie.

"Unsere zunehmende Wertschätzung der Rolle des microbiome in Gesundheit und Krankheit ist die Umwandlung der gesamten medizinischen Bereich. Das Konzept mit der Macht der synthetischen Biologie an Mikroben, die in unserem Darm zu entwickeln leben Diagnose- und Therapiegeräten leben zu nutzen ist ein Vorbote der Dinge zu kommen , und Pam Arbeit liefert den ersten Proof-of- Prinzip , dass dies eine praktikable und spannenden Weg zu verfolgen ", sagte Wyss Institut Gründungsdirektor Don Ingber , Ph.D., MD