Исследователи из ETH Zurich, Университетской больницы Берна и Университета Берна снабдили кишечные бактерии функцией регистратора данных, чтобы отслеживать, какие гены активны в бактериях. Эти микроорганизмы могли бы когда-нибудь предложить неинвазивные средства диагностики заболеваний или оценки влияния диеты на здоровье.
Кишечник является домом для бесчисленных бактерий, которые помогают нам переваривать пищу. Но что именно микроорганизмы делают внутри тела? Какие ферменты они вырабатывают и когда? И как бактерии усваивают полезные для здоровья продукты, которые помогают нам избежать болезней?
Чтобы получить ответы на такие вопросы, исследователи из Департамента науки и инженерии биосистем в ETH Zurich в Базеле модифицировали бактерии таким образом, чтобы они функционировали как регистраторы данных для информации об активности генов. Вместе с учеными из Университетской больницы Берна и Университета Берна они протестировали эти бактерии на мышах. Это важный шаг к использованию сенсорных бактерий в медицине в будущем для таких приложений, как диагностика недоедания и понимание того, какие диеты полезны для человека.
Иммунная система становится регистратором данных
Функция регистратора данных была разработана за последние несколько лет исследователями под руководством Рэндалла Платта, профессора биологической инженерии в ETH Zurich. Для этого они использовали механизм CRISPR-Cas, тип иммунной системы, естественно присутствующий у многих видов бактерий. Если бактерии атакуют вирусы, они могут включать фрагменты вирусной ДНК или РНК в участок своего собственного генома, называемый массивом CRISPR. Это позволяет бактериям «запоминать» вирусы, с которыми они контактировали, что позволяет им быстрее отражать будущую вирусную атаку.
Чтобы использовать этот механизм в качестве регистратора данных, исследователи не занимались фрагментами ДНК вирусных злоумышленников, а сосредоточились на чем-то другом: механизм можно использовать таким образом, чтобы бактерии включали фрагменты своей собственной матричной РНК (мРНК). в массив CRISPR. Молекулы мРНК — это чертеж, который клетки используют для производства белков. Таким образом, фрагменты мРНК могут показать, какие гены используются для создания белков для выполнения клеточных функций.
Чтобы сделать метод эффективным, ученые внедрили набор CRISPR из бактериального вида Fusicatenibacter saccharivorans в штамм кишечной бактерии Escherichia coli, который считается безопасным для человека и доступным в качестве пробиотика. Передача включала схему фермента, называемого обратной транскриптазой, который способен транскрибировать РНК в ДНК. Этот фермент также транскрибирует информацию из мРНК в форму ДНК, которая вместе с сопутствующими CRISPR-ассоциированными белками необходима для включения фрагмента ДНК в массив CRISPR.
Получение информации, не тревожа тело
Затем исследователи из Университетской больницы Берна и Университета Берна под руководством Эндрю Макферсона вводили эти модифицированные кишечные бактерии мышам в лаборатории. Они собрали образцы фекалий животных и выделили бактериальную ДНК, которую затем проанализировали с помощью высокопроизводительного секвенирования ДНК. С последующей биоинформационной оценкой, выполненной и оцененной в сотрудничестве, они смогли проработать массу данных и реконструировать генетическую информацию фрагментов мРНК. Это позволило ученым неинвазивными методами определить, как часто кишечные бактерии производят данную молекулу мРНК за время своего пребывания в организме и, таким образом, какие гены активны.
«Этот новый метод позволяет нам получать информацию непосредственно из кишечника, не нарушая его функции», — говорит Эндрю Макферсон, профессор и заведующий отделением гастроэнтерологии Университетской больницы Берна. Таким образом, этот метод имеет большие преимущества перед эндоскопией, которая может быть неприятной для пациентов и всегда связана с нарушением функции кишечника, поскольку для исследования кишечник должен быть опорожнен.
Определение диетического статуса
«Бактерии очень хорошо регистрируют условия окружающей среды и адаптируют свой метаболизм к новым обстоятельствам, таким как изменения в рационе», — говорит Макферсон. В экспериментах с мышами, которым давали разную пищу, исследователи смогли показать, как бактерии адаптировали свой метаболизм к соответствующему поступлению питательных веществ. Отчет о результатах был опубликован в последнем номере журнала Science .
Исследователи хотели бы продолжить разработку метода, чтобы однажды они могли изучать пациентов-людей, чтобы увидеть, как диета влияет на экосистему кишечника и как это влияет на здоровье. В будущем они надеются использовать этот метод для определения диетического статуса детей или взрослых. Вооружившись этой информацией, врачи смогут диагностировать недоедание или решить, нужны ли пациенту пищевые добавки.
Кроме того, исследователи смогли распознать воспалительные реакции в кишечнике. Исследователи вводили сенсорные бактерии мышам с воспалением кишечника, а также здоровым мышам. Таким образом, они смогли определить специфический профиль мРНК кишечных бактерий , которые переключаются в режим воспаления.
Отличие разных бактерий
Текущее исследование, опубликованное в журнале Science, включает в себя научную разработку, которая позволяет исследователям отличать два штамма бактерий друг от друга на основе индивидуальных генетических «штрих-кодов». В будущем это позволит исследовать на лабораторных животных функцию генных мутаций у бактерий. Это позволит ученым сравнить профиль мРНК разных бактерий, например нормальных, по сравнению с мутантными бактериями. Благодаря регистратору молекулярных данных впервые можно определить этот профиль, так как они проходят через кишечник не только тогда, когда бактерии достигают фекалий, так что информация показывает, что происходило, когда бактерии еще жили в фекалиях. кишки.
Другим возможным направлением было бы дальнейшее развитие системы, позволяющей различать профили РНК бактерий в тонком и толстом кишечнике. Кроме того, функция регистратора данных может быть встроена в другие типы бактерий. Это открыло бы двери для применения в мониторинге окружающей среды. Например, анализ почвенных бактерий с посевного поля позволит установить, использовались ли гербициды.
Возможно безопасное применение
Исследователи подали патентные заявки на сам метод и характерные профили РНК, которые являются сигнатурами определенных пищевых молекул и индикаторами здоровья кишечника.
Прежде чем сенсорные бактерии можно будет использовать вне лаборатории, в том числе на людях, ученым еще предстоит прояснить различные вопросы безопасности и юридические вопросы, поскольку бактерии были генетически модифицированы. «В принципе существуют способы использования живых генно-инженерных микроорганизмов в качестве диагностических или терапевтических средств в медицине при соблюдении определенных условий», — объясняет Платт. Например, можно модифицировать сенсорные бактерии так, чтобы они нуждались в определенных питательных веществах и, следовательно, могли выживать только в кишечнике пациента. Как только эти бактерииоставь кишку, они умрут. Интеграция подходящих механизмов безопасности является следующим шагом на пути к применению метода в медицине.
