Billionen von Mikroorganismen leben im Darm von Säugetieren, was auf die eine oder andere Weise die Gesundheit und das Auftreten von Krankheiten beeinflusst. Die meisten von ihnen werden von der modernen Wissenschaft schlecht untersucht, und es wurden nicht viele Technologien entwickelt, um die Prozesse zu untersuchen, die im Darm ablaufen.
Aber Bakterien haben über Zehntausende von Jahren genetisch codierte Sensoren gebildet, die verschiedene Arten von Partikeln erkennen. Daher haben genetisch veränderte sensorische Bakterien ein ausreichendes Potenzial zur Untersuchung des Darms und zur Diagnose von Darmkrankheiten. Wie Elektriker, die Schaltkreise für ihre Drähte und elektronischen Komponenten entwerfen, verwenden Biologen genetische Schaltkreise, um einzellige Kreaturen für komplexe Informationsverarbeitungsvorgänge zu programmieren.
Biologen der Rice University haben Darmbakterien geschaffen, die bei Mäusen Kolitis - eine Entzündung des Dickdarms - erkennen können. In Zukunft kann die Entwicklung genutzt werden, um zu untersuchen, wie Darmbakterien auf molekularer Ebene mit dem menschlichen Körper interagieren. Darüber hinaus können Bakterien eine Art Test zur Überwachung des Zustands und der Erkrankungen des Darms sein.
In ihrer vorherigen Arbeit gingen sie davon aus, dass Veränderungen der Darmmikrobiota, genetische Veranlagung und andere Faktoren das Auftreten und die Entwicklung entzündlicher Darmerkrankungen - Morbus Crohn und Colitis ulcerosa - in irgendeiner Weise beeinflussen können.
Basierend auf einer Reihe anderer früherer Studien haben Wissenschaftler festgestellt, dass die Anzahl der
Thiosulfatmoleküle während einer Kolitis erhöht werden kann. Es war schwierig für sie, diesen Zusammenhang zu untersuchen, da es keine Werkzeuge für ein zuverlässiges Werkzeug zur Messung von Thiosulfat bei Tieren gibt. Das erste Ziel des Wissenschaftlerteams war die Entwicklung eines solchen Werkzeugs.
Die Arbeit an dem Projekt begann im Jahr 2015 und seine Idee war es, sensorische Bakterien zu verwenden. In diesem Fall handelt es sich um einen genetisch veränderten E. coli (
Escherichia coli ), der nach der Modifikation Thiosulfat und die damit verbundenen schwefelhaltigen Verbindungen bestimmen soll. Es gibt einen Zusammenhang zwischen dem Schwefelstoffwechsel im Darm und Entzündungen, und Wissenschaftler wussten, dass sie zur Diagnose einer Darmentzündung gemessen werden mussten.
Den Forschern gelang es, einen guten Einblick in die Methoden zur Programmierung von Escherichia coli zu bekommen. Das Bakterium begann als Reaktion auf spezifische Stimuli ein fluoreszierendes grünes Protein zu produzieren. Bisher hat kein anderer Organismus Gene gekannt, mit denen Thiosulfat bestimmt werden kann. Eine kleine Menge existiert nur für andere Verbindungen.
Im Jahr 2015 verwendete der Co-Autor der Studie, Ravi Shet, ein Computerprogramm, um potenzielle Sensoren für Thiosulfat und andere Verbindungen im
Shewanella- Genom zu identifizieren - die Art von Bakterien, die in marinen Sedimenten leben. Ein Team von Wissenschaftlern schlägt vor, dass Shewanella diese Moleküle wahrscheinlich atmet und Sensoren verwendet, um die entsprechenden Enzyme in ihrer Gegenwart einzuschalten.
Biologen haben ein Jahr lang ein modifiziertes E. coli-Bakterium entwickelt, um auf potenzielle Biomarker zu reagieren und seine Farbe in Grün zu ändern. Es dauerte ein weiteres Jahr, um zu beweisen, dass das System funktioniert und tatsächlich eine Entzündung des Dickdarms bei Mäusen erkennt.
Die Forscher mussten zwei Tropfen mit einer Milliarde Bakterien mit Sensoren sowohl für gesunde Mäuse als auch für Mäuse mit Kolitis schlucken. Sechs Stunden später maßen die Wissenschaftler die Aktivität von Bakterien in jeder Gruppe. Das grüne Kontrollprotein konnte unter Verwendung eines
Durchflusszytometers nachgewiesen werden.
Das Team stellte fest, dass der Thiosulfatsensor bei entzündeten Mäusen aktiviert und bei gesunden Mäusen nicht aktiviert war. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Sensoren umso aktiver waren, je stärker die Entzündung war. Es ist noch nicht bekannt, ob erhöhte Thiosulfatspiegel ein zuverlässiger Indikator für Kolitis beim Menschen sein können, aber sensorische Bakterien können modifiziert werden, um auf andere Verbindungen oder Moleküle zu reagieren.
In Zukunft planen die Forscher, zu Hause einen Entzündungstest zu entwickeln, der im Krankheitsfall die Kotfarbe verändert. Ein solcher Test wird dazu beitragen, unnötige und kostspielige Arztbesuche und Koloskopieverfahren zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, begann das Team mit Gastroenterologen des
Baylor College of Medicine zusammenzuarbeiten .
Die wissenschaftliche Arbeit wurde am 3. April 2017 in der Zeitschrift Molecular Systems Biology veröffentlicht.
DOI:
10.15252 / msb.20167416