Искусственный микробиом?

В человеческом кишечнике было идентифицировано более 1000 видов бактерий, и понимание этого невероятно разнообразного «микробиома», которое может сильно влиять как на здоровье, так и на болезнь, является горячо обсуждаемой темой в научных исследованиях. Поскольку бактерии обычно сконструированы генетически в научных лабораториях, всех будоражат возможности настройки генов наших кишечных нарушителей, чтобы они могли несколько больше, чем просто помочь переваривать нашу пищу (например, записывать информацию о состоянии кишечника в реальном времени, сообщать о наличии заболеваний и т. д.). Однако мало что известно о том, как все эти разные штаммы бактерий взаимодействуют друг с другом, и возможно ли даже создание видов сигнальных путей, которые позволяли бы передавать информацию между ними.

Микробиом

Сейчас исследователи из Института Вайсс в Гарвардском университете, Гарвардской медицинской школе (HMS) и Бригаме и Женской больнице успешно разработали генетическую систему передачи сигналов, в которой молекулярный сигнал, отправленный бактериями Salmonella Typhimurium в ответ на экологический сигнал, может быть получен и зарегистрирован E. coli в кишечнике мыши, в результате чего ученые приблизились к разработке «синтетического микробиома», состоящего из бактерий, которые запрограммированы на выполнение определенных функций.

«Чтобы улучшить здоровье человека с помощью искусственных кишечных бактерий, нам нужно начать выяснять, как заставить бактерии общаться», – сказал Сухюн Ким, аспирант лаборатории «Памела Силвер» в Институте Wyss и HMS, который является первым автор статьи. «Мы хотим убедиться, что, поскольку передовые пробиотики развиваются, у нас есть средства для их согласования и контроля».

Команда использовала способность, которая естественным образом проявляется в некоторых штаммах бактерий, называемых «чувствительностью кворума», в которой бактерии посылают и получают сигнальные молекулы, которые указывают общую плотность бактериальной колонии и регулируют экспрессию многих генов, участвующих в групповых действиях. Особый тип чувствительности кворума, известный как ацил-гомосерин-лактон (ацил-HSL), еще не наблюдался в кишечнике млекопитающих, поэтому команда решила проверить, могут ли они перепрофилировать свою сигнальную систему для создания системы передачи бактериальной информации с использованием генетического машиностроения.

Исследователи представили две новые генетические схемы в разных колониях штамма бактерий E.coli: «сигнальную» цепь и цепь «ответчика». Схема сигнализации содержит единственную копию гена luxI, который включается молекулой anhydrotetracycline (ATC) и продуцирует сигнальную молекулу, чувствительную к кворуму. Схема ответчика структурирована таким образом, что, когда связывающая сигнальная молекула связывается с ней, ген, называемый Cro, активируется для продуцирования белка Cro, который после включает «элемент памяти» в цепи ответчика. Элемент памяти выражает два дополнительных гена: LacZ и другую копию Cro. Экспрессия LacZ приводит к тому, что бактерии становятся голубыми, если их наносят на специальный агар, что дает визуальное подтверждение того, что сигнальная молекула получена. Дополнительная копия Cro формирует положительный цикл обратной связи, который удерживает элемент памяти, гарантируя, что бактерия продолжает выражать LacZ в течение длительного периода времени.

Исследователи подтвердили, что эта система работает в пробирке, как в бактериях E. coli, так и в S. Typhimurium, наблюдая, что бактерии-ответчики посинели, когда ATC был добавлен к сигнальным бактериям. Чтобы убедиться, что это будет работать в живом организме, они вводили обеим сигнальным и ответчикам бактерии E. coli для мышей, а затем давали мышам ATC в их питьевой воде в течение двух дней. Когда анализы фекалий от мышей были проанализированы, более половины мышей продемонстрировали четкие признаки передачи сигнала 3OC6HSL, которые сохранялись через два дня на ATC.

«Было здорово и очень многообещающе, что наша система с одноразовыми схемами может создавать функциональную связь в кишечнике мыши», – объяснил Ким. «Традиционная генетическая инженерия вводит несколько копий интересующего гена в бактериальный геном через плазмиды, что создает большую метаболическую нагрузку на сконструированные бактерии и заставляет их легко переноситься другими бактериями в носителе».

Наконец, команда повторила эксперимент в живом организме, но передала сигнальные бактерии S. Typhimurium и бактерии-ответчики E. coli, чтобы увидеть, может ли сигнал передаваться через разные виды бактерий в кишечнике мыши. У всех мышей были признаки передачи сигнала, подтверждающие, что сконструированные схемы позволяют связываться между различными видами бактерий в сложной среде кишечника млекопитающих.

Исследователи надеются продолжить эту линию исследований, разработав больше видов бактерий, чтобы они могли общаться, а также путем поиска и развития других сигнальных молекул, которые могут использоваться для передачи информации между ними.

«В конечном счете, мы стремимся создать синтетический микробиоом с полностью или преимущественно сконструированными видами бактерий в нашей кишке, каждая из которых имеет специализированную функцию (например, обнаружение и лечение болезни, создание полезных молекул, улучшение пищеварения и т. Д.), а также связываться с другими бактериями для обеспечения баланса и оптимального здоровья человека. Микробиом – это следующий рубеж в медицине, а также в области хорошего самочувствия. Разработка новых технологий для совершенствования микробов кишечника в лучшую сторону, а также понимание того, как они функционируют, будучи частью сложного сообщества, представляет собой важный шаг вперед в этом направлении», – сказал основатель Вайсс Дональд Инбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором биологии сосудов Judah Folkman в HMS и программой сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в SEAS.

Suhyun Kim, S. Jordan Kerns, Marika Ziesack, Lynn Bry, Georg K. Gerber, Jeffrey C. Way, Pamela A. Silver. 

Quorum Sensing Can Be Repurposed To Promote Information Transfer between Bacteria in the Mammalian Gut. 

ACS Synthetic Biology, 2018; DOI: 10.1021/acssynbio.8b00271