Бактерии с функцией записи отслеживают состояние здоровья кишечника

Исследователи из ETH Zurich, Университетской больницы Берна и Бернского университета оснастили кишечные бактерии функцией регистратора данных для мониторинга активности генов. Эти микроорганизмы могут однажды предложить неинвазивный способ диагностики заболеваний или оценки влияния диеты на здоровье.

Иммунная система становится регистратором данных

Функция регистратора данных была разработана за последние годы исследователями под руководством Рэндалла Платта, профессора биологической инженерии в ETH Zurich. Для этого они использовали механизм CRISPR-Cas — естественную иммунную систему, присутствующую у многих видов бактерий.

Ученые модифицировали механизм так, чтобы бактерии включали фрагменты своей собственной матричной РНК (mRNA) в область своего генома, называемую CRISPR-массивом. Поскольку mRNA является чертежом для производства белков, её фрагменты показывают, какие гены активны.

Чтобы сделать метод эффективным, ученые внедрили CRISPR-массив бактериального вида Fusicatenibacter saccharivorans в штамм кишечной бактерии Escherichia coli, считающийся безопасным для человека. Также был добавлен ген обратной транскриптазы, которая транскрибирует информацию из mRNA в форму ДНК для встраивания в массив.

Получение информации без нарушения работы организма

Исследователи под руководством Эндрю Макферсона ввели модифицированные бактерии лабораторным мышам. Собрав образцы фекалий, они выделили бактериальную ДНК и проанализировали её с помощью высокопроизводительного секвенирования и последующей биоинформатической обработки.

Это позволило реконструировать генетическую информацию фрагментов mRNA и определить, как часто бактерии производили конкретную mRNA, а значит — какие гены были активны.

«Этот новый метод позволяет нам получать информацию непосредственно из кишечника, не нарушая его функций», — говорит Эндрю Макферсон. Метод имеет преимущества перед эндоскопией.

Определение пищевого статуса

«Бактерии очень хорошо регистрируют условия окружающей среды и адаптируют свой метаболизм к новым обстоятельствам, таким как изменения в диете», — отмечает Макферсон.

В экспериментах с мышами, получавшими разную пищу, исследователи показали, как бактерии адаптировали свой метаболизм к соответствующему питанию. Результаты опубликованы в журнале Science.

В будущем метод может использоваться для определения пищевого статуса детей или взрослых, диагностики недоедания или принятия решения о необходимости пищевых добавок.

Кроме того, исследователи смогли распознать воспалительные реакции в кишечнике, идентифицировав специфический mRNA-профиль бактерий в режиме воспаления.

Различение разных бактерий и будущие применения

В текущем исследовании также представлена разработка, позволяющая различать два штамма бактерий по индивидуальным генетическим «штрихкодам». Это позволит в будущем изучать функцию генных мутаций в бактериях у лабораторных животных и сравнивать mRNA-профили, например, нормальных и мутантных бактерий.

Другие возможные пути:

• Развитие системы для различения РНК-профилей бактерий в тонком и толстом кишечнике.
• Внедрение функции регистратора данных в другие типы бактерий для применения в мониторинге окружающей среды (например, анализ почвенных бактерий на предмет использования гербицидов).

Безопасное применение

Исследователи подали заявки на патенты для самого метода и для характерных РНК-профилей, которые являются сигнатурами определенных питательных молекул и показателями здоровья кишечника.

Перед использованием сенсорных бактерий вне лаборатории, в том числе на пациентах, необходимо решить вопросы безопасности, поскольку бактерии генетически модифицированы.

«В принципе, существуют способы использования живых генетически модифицированных микроорганизмов в качестве диагностических или терапевтических агентов в медицине при соблюдении определенных условий», — поясняет Платт.

Например, можно модифицировать бактерии так, чтобы они нуждались в определенных питательных веществах и могли выживать только в кишечнике пациента. Интеграция подобных механизмов безопасности — следующий шаг к медицинскому применению метода.