Новые инструменты визуализируют расположение бактерий в кишечнике и контролируют их активность
Две независимые работы на мышах, опубликованные 20 апреля в журнале Cell, преодолели барьер в изучении связи между активностью микробиоты и физиологией хозяина. Исследователи разработали подход, позволяющий одновременно визуализировать несколько бактериальных штаммов в кишечнике, заставив их экспрессировать уникальные комбинации флуоресцентных белков. Это позволило точно определить расположение бактерий в кишечнике по «радуге» их свечения. Кроме того, новые инструменты обеспечили точный контроль активности бактериальных генов в реальном времени и в конкретных локациях.
«Мы обнаружили, что инструменты синтетической биологии позволяют задавать новые вопросы о кишечной микробиоте», — говорит Эндрю Гудман из Йельского университета, старший автор одной из работ. «Мы также полагаем, что эти стратегии могут стать отправной точкой для доставки терапевтических средств или других молекул по требованию».
Инструменты для отслеживания и конкуренции бактерий
Джастин Зонненбург из Стэнфордского университета и его команда разработали метод редактирования Bacteroides — наиболее распространённого рода бактерий в кишечнике людей в США. Они создали панель синтетических промоторов (последовательностей ДНК, инициирующих транскрипцию генов) и с их помощью генетически модифицировали шесть видов Bacteroides для производства уникальных комбинаций красного (RFP, mCherry) и зелёного (GFP) флуоресцентных белков.
Введя эти виды в кишечник стерильных мышей, учёные через две недели с помощью флуоресцентного микроскопа определили расположение бактерий в разных частях кишечника.
В другом эксперименте два штамма Bacteroides были модифицированы для производства либо GFP, либо RFP. Штамм, экспрессирующий RFP, успешно колонизировал толстую кишку и вытеснил штамм с GFP, особенно в криптах — трубчатых железах. Это демонстрирует, что колонизация этих специфических структур кишечника — ключевой шаг, позволяющий долгосрочным обитателям выигрывать конкуренцию у вторгающихся видов.
Точный контроль активности генов
Команда Эндрю Гудмана из Йельского университета также создала панель синтетических промоторов для тонкой настройки активности генов у различных видов Bacteroides. Активностью генов управляли с помощью тетрациклиновой системы: транскрипция обратимо включалась или выключалась в зависимости от присутствия синтетического соединения аноргидотетрациклина.
В состоянии «ВЫКЛ» активность генов полностью подавлялась, а в присутствии аноргидотетрациклина — быстро возрастала в 9000 раз. Эксперименты на мышах подтвердили, что активность генов кишечных бактерий можно жёстко контролировать, просто добавляя разные количества аноргидотетрациклина в питьевую воду.
Перспективы и будущие исследования
Эти инструменты открывают путь к новым типам исследований для понимания микробиоты и конструирования комменсальных бактерий кишечника для терапевтических целей.
- Доставка лекарств: Экспрессионные инструменты могут позволить доставлять терапевтические белки в кишечник, производя их внутри живущих в нас микробов. Использование бактериальных клеток открывает путь к «умным» терапевтическим средствам, которые производятся в нужное время и в нужном месте.
- Точный контроль: В перспективе точный контроль активности бактериальных генов в конкретных отделах ЖКТ может достигаться путём введения аноргидотетрациклина разными способами: через капсулы с отсроченным высвобождением (зависящим от времени или pH) или хирургически через катетеризацию.
«Однако, прежде чем конструировать кишечные комменсалы для терапии, важно разработать методы их безопасной и надёжной колонизации человеческого кишечника, что потребует дополнительных исследований», — отмечает Джастин Зонненбург.