Milioane de oameni iau capsule de probiotice cu scopul de a-și îmbunătăți digestia, dar cum ar fi dacă acele bacterii ar putea detecta boli în intestin și ar putea indica când ceva este în neregulă?
Noile cercetări ale Institutului Wyss de la Universitatea Harvard și de la Școala Medicală Harvard au creat o metodă eficientă, non-invazivă de a identifica rapid noi biosenzori bacterieni care pot recunoaște și raporta prezența diverselor declanșatoare ale bolilor în intestin, contribuind la stabilirea unei etape de monitorizare și tratament a sănătății digestive. Această lucrarea este publicată în mSystems.
„Înțelegerea noastră asupra modulului în care se comportă microbiomul intestinului uman este încă în stadii incipiente, ceea ce a împiedicat cercetările la scară largă în crearea biosenzorilor din bacteriile vii”, a afirmat David Riglar, doctor în filosofie, în pregătire pentru cariera academică la Institutul Wyss și la Școala Medicală Harvard. El conduce acum un grup de cercetare la Colegiul Imperial din Londra. „Această lucrare oferă o platformă ce prezintă un bun randament în ceea ce privește identificarea elementelor genetice din bacteriile care răspund la semnale diferite din intestin, plasându-se cu un pas mai aproape de ingineria căilor de semnale complexe ale bacteriilor. Ele permit detectarea și chiar tratarea bolilor pe termen lung.”
Noua platformă se bazează pe lucrările anterioare realizate în laboratorul Wyss Founding Core al unui membru al Facultății Pamela Silver, doctorand care a proiectat un circuit genetic format dintr-un „element de memorare”, derivat dintr-un virus, și un „element declanșator”, sintetic, care, împreună, pot detecta și înregistra prezența unui stimul dat – inițial, o versiune dezactivată a tetraciclinei antibiotice.
Circuitul sintetic a fost integrat în genomul bacteriilor E.coli, care a fost folosit pe șoarecii vii cărora, ulterior li s-a administrat tetraciclină. Antibioticul a provocat elementul declanșator din circuitul bacterian care a activat elementul de memorie. Acesta acționează ca un întrerupător și rămâne „pornit” până la o săptămână, astfel încât bacteriile recunosc prezența tetraciclinei.
Echipa a demonstrat apoi că circuitul poate fi modificat pentru a detecta și raporta tetrationatul (o moleculă care apare în mod natural și care indică prezența inflamației) în intestinul șoarecilor vii până la șase luni, după ce a fost introdus în corpul acestora, arătând că sistemul lor ar putea să fie utilizat pentru a monitoriza semnalele care ar fi utile pentru diagnosticarea stărilor de boală pe termen lung.
Dar tetrationatul este doar o moleculă. Pentru a dezvolta noi diagnostice bazate pe bacterii, cercetătorii au avut nevoie de o modalitate de a testa rapid diferite potențiale elemente declanșatoare pentru a vedea dacă ar putea răspunde la mai multe semnale de boală.
În primul rând, au modificat circuitul genetic adăugând o genă cu rezistență la antibiotice, care este activată atunci când și elementul de memorare este activ, permițând bacteriilor care „recunosc” un element declanșator să supraviețuiască expunerii la spectinomicină antibiotică.
Pentru a testa noul circuit împotriva unei mari varietăți de semnale moleculare, au creat o bibliotecă de diferite tulpini de E.coli care conțineau, fiecare, câte un element de memorare și un element declanșator, unic în genomul său.
Această bibliotecă de tulpini bacteriene a fost apoi introdusă în intestinele șoarecilor vii pentru a vedea dacă vreunul dintre elementele declanșatoare a fost activat de substanțe din intestinele șoarecilor.
Când numărul bacteriilor din probele fecale ale șoarecelui analizat a crescut în mediul cu spectinomicină, aceștia au descoperit că numărul de tulpini a crescut, indicând faptul că elementele de memorare au fost activate.
Două dintre tulpini au arătat, în special, o activare uniformă, chiar și atunci când au fost administrate izolat la șoareci, ceea ce indică faptul că au fost activate de anumite condiții în intestinul șoarecilor. Acestea ar putea servi ca senzori ai semnalelor specifice intestinului.
Cercetătorii au repetat experimentul folosind o gamă mai mică de tulpini de E.coli ale căror elemente declanșatoare au fost secvențe genetice despre care se crede că sunt asociate cu inflamația, zece dintre ele fiind activate în timpul tranzitului prin șoareci.
Atunci când aceste tulpini de E.coli au fost administrate șoarecilor care aveau inflamație intestinală, o tulpină particulară a afișat un răspuns de memorare mai puternic la șoarecii cu inflamație, comparativ cu șoarecii sănătoși, confirmând că a fost capabilă să înregistreze cu succes prezența biomoleculelor inflamatorii în intestinul șoarecelui și, astfel, ar putea servi ca monitor viu al sănătății gastro-intestinale.
„Frumusețea acestei metode este că ne permite să identificăm biosenzorii care există deja în natură, dar care nu am putea fi capabili să îi proiectăm, deoarece o mare parte din funcția și reglarea genomului bacterian este încă necunoscută”, a spus Alexander Naydich, care și-a terminat recent doctoratul în laboratorul Silver.
Caracteristicile suplimentare ale sistemului includ atât capacitatea de a înregistra semnale care apar fie cronic, fie tranzitoriu în intestin, cât și sensibilitatea reglabilă sub formă de secvențe sintetice de situs de legare a ribozomului, concepute în elementele declanșatoare care pot controla viteza cu care acceleratorii pot induce o stare de memorare activă, ca răspuns la un semnal. Aceste capacități permit reglarea fină a biosenzorilor bacterieni pentru a detecta condiții specifice în intestin, pe o perioadă lungă de timp.
„Am reușit să avansăm această tehnologie de la un instrument care testează un lucru la un instrument care poate testa simultan mai multe lucruri, ceea ce nu este numai util pentru identificarea noilor potențiali biosenzori, dar ar putea fi dezvoltat într-o zi într-o pilulă probiotică care conține colecții complexe de bacterii care simt și înregistrează mai multe semnale simultan, permițând doctorilor să identifice boala și să aibă o precizie mai mare în momentul în care acordă un diagnostic”, a spus Pamela Silver, care este, de asemenea, profesor de Biochimie și Biologie a Sistemelor la Școala Medicală Harvard.
„Progresele continue realizate de echipa Silver în dezvoltarea dispozitivelor celulare vii, bazate pe reproiectarea genetică a microbiomului reprezintă o abordare complet nouă, mai ales pentru diagnosticarea cu un cost redus. Această abordare are potențialul de a transforma radical modul în care interacționăm și controlăm sistemele biologice, inclusiv propriile noastre corpuri”, a declarat directorul fondator Wyss, Donald Ingber, care este, de asemenea, profesor de biologie vasculară la Școala Medicală Harvard (HMS) și al Programului de Biologie Vasculară la Spitalul de Copii Boston.
