Проблемы возникают, когда вредные кишечные клопы обгоняют дружественных или когда иммунная система выходит из равновесия, как при болезни Крона, глютеновой болезни и колоректальном раке. Врачи изо всех сил пытались диагностировать эти состояния на ранней стадии и точно. Но теперь новый искусственно созданный штамм бактерий E. coli может предоставить обновленную информацию о состоянии этого сложного ландшафта, чтобы помочь предотвратить желудочно-кишечные заболевания.Новый штамм неразрушающим образом обнаружил и записал сигнал окружающей среды в кишечнике мыши и запомнил то, что он «видел».
Прогресс, о котором сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences, может привести к созданию радикально нового инструмента для проверки здоровья кишечника человека.Ключом к превращению кишечной палочки в кишечных репортеров было включение хорошо известного генетического переключателя, который переключается, когда он улавливает определенный сигнал окружающей среды. Этот переключатель дает клеткам способность «запоминать» то, что они ощущают, на срок до недели — достаточно долго, чтобы ученые смогли собрать образцы фекалий и проверить, сработал ли переключатель.«Это достижение прокладывает путь к живым мониторам, запрограммированным с использованием синтетических генных цепей», — сказала член основного факультета Института Висс Памела Сильвер, доктор философии, старший автор исследования, которая также является профессором биохимии Эллиотта Т. и Они Х. Адамс. и системная биология в Гарвардской медицинской школе (HMS).
В команду Сильвера входили Джеймс Коллинз, доктор философии, который также является преподавателем факультета Висса и профессором биоинженерии в Бостонском университете, а также другие сотрудники из Института Висса, Гарвардской медицинской школы и Бостонского университета. «Это может привести к новой диагностике для всех видов сложных сред».Подход команды Сильвера идет вразрез с преобладающей догмой в синтетической биологии, которая заключается в разработке генетических систем, которые управляют поведением клеток с нуля, сказал старший научный сотрудник Института Висса Джефф Уэй, доктор философии, соавтор статьи.
С другой стороны, «у природы есть проверенный проект систем памяти, если вы знаете, где искать», — сказал Уэй. «Почему бы просто не принять Природу такой, какая она есть, и оттуда развить систему?»Генетический переключатель, который команда внедрила в E. coli, произошла от фага лямбда, вируса, который обычно атакует эту бактерию.
После вторжения в E. coli лямбда обычно находится на низком уровне, живя в скрытом режиме, называемом лизогенией, при котором его ДНК просто висит в геноме E. coli. Но когда ДНК бактерии повреждена — и только тогда — переключатель щелкает, давая команду вирусу перейти в режим, называемый лизисом, в котором он размножается внутри клетки и прорывается через ее мембрану в виде микробного взрыва.
«Это очень стабильная система в природе», — сказал ведущий автор Джонатан Котула, доктор философии, научный сотрудник HMS, который также связан с Институтом Висса. «Мы знали, что лямбда-переключатель будет отличным кандидатом на роль элемента памяти, и мы просто изменили его, чтобы удовлетворить наши потребности».Ячейки с сконструированным лямбда-переключателем не станут литическими ни при каких условиях. Котула и остальная часть команды Сильвера использовали стандартные молекулярно-генетические инструменты, чтобы настроить переключатель таким образом, чтобы он включался только в присутствии неактивной формы антибиотика тетрациклина.В лабораторных экспериментах переключатель включился в течение нескольких часов после воздействия антибиотика и оставался в этом состоянии «ВКЛ» внутри E. coli в течение недели или более, даже когда бактерии росли и делились.
Короче говоря, клетки «вспомнили», что видели эту молекулу в кишечнике.«Было поистине шокирующим, насколько чисто эксперименты работали», — сказал Джордан Кернс, доктор философии, научный сотрудник Института Висса.Но чтобы функционировать в качестве живого диагностического средства, сконструированная кишечная палочка также должна была пережить свое путешествие через кишечник в целости и сохранности, а это означало, что они должны были эффективно конкурировать с конкурирующими кишечными микробами.
Созданный штамм отлично работал в лабораторных экспериментах, но постепенно исчез, когда команда ввела его в кишечник самой мыши. Оказалось, что его вытеснили естественные кишечные бактерии животного.
Команда не беспокоилась по поводу этого результата, потому что они знали, что классический штамм кишечной палочки, который они использовали, с 1940-х годов жил только в лаборатории, теряя свою способность конкурировать в реальном мире, особенно в такой среде. сложен, как кишечник млекопитающих.Они решили эту проблему, выделив нативный штамм E. coli из кишечника мыши, а затем сконструировали его геном для включения переключателя. По словам Котулы, переключатель в клетках переключился в течение нескольких часов, как и раньше, и клетки «помнили» около недели, что они видели антибиотик в кишечнике.
Более того, популяция в кишечнике стабилизировалась, сохраняя свое присутствие в присутствии других бактерий.Команда представляет себе день, когда врач даст пациенту штамм искусственно созданных бактерий в качестве диагностики, так же, как сегодня они дают пробиотик. Штамм будет приспособлен для мониторинга кишечника на предмет любого количества состояний от воспаления до маркеров болезни.
При последующем посещении пациент отправлял образец стула, и медицинские техники собирали из образца кишечную палочку и анализировали ее. Только если переключатель (или переключатели) был включен, врач мог бы проводить более инвазивные тесты, такие как эндоскопия или колоноскопия.
На данный момент команда сосредоточена на генетической настройке элемента памяти своей системы, чтобы клетки запоминали еще более длительные периоды времени, и разработке его так, чтобы переключатель переключался, когда он также ощущает другие химические сигнатуры, такие как сигнатуры рака или паразитов. . В более долгосрочной перспективе созданные ими бактерии могут определять болезненное состояние и работать с другими сконструированными генетическими цепями, которые могут производить определенное лекарство по команде, таким образом производя динамическую терапию.«Наше растущее понимание роли микробиома в здоровье и болезнях трансформирует всю область медицины.
Концепция использования возможностей синтетической биологии для обуздания микробов, обитающих в нашем кишечнике, для разработки живых диагностических и терапевтических устройств является предвестником вещей. ", — сказал директор-основатель Wyss Institute Дон Ингбер, доктор философии, доктор медицинских наук.