Más de 1,000 especies de bacterias han sido identificadas en el intestino humano, y comprender este increíblemente diverso "microbioma" que puede tener un gran impacto en la salud y la enfermedad es un tema candente en la investigación científica. Debido a que las bacterias son genéticamente modificadas en laboratorios de ciencias, hayes una gran emoción acerca de la posibilidad de modificar los genes de nuestros intrusos intestinales para que puedan hacer más que solo ayudar a digerir nuestros alimentos por ejemplo, registrar información sobre el estado del intestino en tiempo real, informar la presencia de enfermedades, etc.Sin embargo, se sabe poco acerca de cómo todas esas cepas diferentes se comunican entre sí, y si incluso es posible crear los tipos de vías de señalización que permitirían la transmisión de información entre ellas.
Ahora, investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard, la Escuela de Medicina de Harvard HMS y el Hospital Brigham and Women's han diseñado con éxito un sistema de transmisión de señal genética en el que una señal molecular enviada por la bacteria Salmonella Typhimurium en respuesta a una señal ambientalpuede ser recibido y registrado por E. coli en el intestino de un ratón, acercar a los científicos al desarrollo de un "microbioma sintético" compuesto de bacterias que están programadas para realizar funciones específicas. El estudio se informa en Biología Sintética ACS .
"Para mejorar la salud humana a través de bacterias intestinales modificadas, necesitamos comenzar a descubrir cómo hacer que las bacterias se comuniquen", dijo Suhyun Kim, una estudiante graduada en el laboratorio de Pamela Silver en el Instituto Wyss y HMS, que esel primer autor del artículo: "Queremos asegurarnos de que, a medida que se desarrollan los probióticos diseñados, tengamos un medio para coordinarlos y controlarlos en armonía".
El equipo aprovechó una habilidad que ocurre naturalmente en algunas cepas de bacterias llamadas "detección de quórum", en las cuales las bacterias envían y reciben moléculas de señal que indican la densidad general de la colonia bacteriana y regulan la expresión de muchos genes involucrados en actividades grupalesAún no se ha observado un tipo particular de detección de quórum conocido como detección de acil-homoserina lactona acyl-HSL en el intestino de los mamíferos, por lo que el equipo decidió ver si podían reutilizar su sistema de señalización para crear un sistema de transferencia de información bacteriana utilizandoIngeniería genética.
Los investigadores introdujeron dos nuevos circuitos genéticos en diferentes colonias de una cepa de E. coli bacterias: un circuito de "señalización" y un circuito de "respuesta". El circuito de señalización contiene una copia única de un gen llamado luxI que es activado por la molécula anhidrotetraciclina ATC y produce una molécula de señalización de detección de quórum.El circuito de respuesta está estructurado de tal manera que cuando la molécula de señalización se une a él, se activa un gen llamado cro para producir la proteína Cro, que luego activa un "elemento de memoria" dentro del circuito de respuesta. El elemento de memoria expresa dos genes adicionales: LacZ yotra copia de cro. La expresión de LacZ hace que la bacteria se vuelva azul si se coloca en un agar especial, produciendo así una confirmación visual de que se ha recibido la molécula señal. La copia extra de cro forma un circuito de retroalimentación positiva que mantiene el elemento de memoria encendido, asegurando que la bacteria continúe expresando LacZ durante un período prolongado de tiempo.
Los investigadores confirmaron que este sistema funciona in vitro en ambos E. coli y S. Typhimurium bacterias, observando que las bacterias que responden se volvieron azules cuando se agregó ATC a la bacteria señalizadora. Para ver si funcionaría in vivo, administraron tanto señalizador como respondedor E. coli bacterias a los ratones, y luego les dio ATC a los ratones en su agua de bebida durante dos días. Cuando se analizaron las muestras fecales de los ratones, más de la mitad de los ratones mostraron signos claros de transmisión de señal 3OC6HSL que persistieron después de dos días en ATC.
"Fue emocionante y prometedor que nuestro sistema, con circuitos basados en una sola copia, pueda crear comunicación funcional en el intestino del ratón", explicó Kim. "La ingeniería genética tradicional introduce múltiples copias de un gen de interés en el genoma bacteriano a través de los plásmidos, que coloca una carga metabólica alta en las bacterias modificadas y hace que otras bacterias del huésped las superen fácilmente ".
Finalmente, el equipo repitió el experimento in vivo, pero dio señal a los ratones S. Typhimurium bacterias y E. coli bacterias que responden, para ver si la señal podría transmitirse a través de diferentes especies de bacterias dentro del intestino del ratón. Todos los ratones mostraron signos de transmisión de señal, confirmando que los circuitos diseñados permitieron la comunicación entre diferentes especies de bacterias en el complejo ambiente del mamíferointestino.
Los investigadores esperan continuar con esta línea de investigación diseñando más especies de bacterias para que puedan comunicarse, y buscando y desarrollando otras moléculas de señalización que puedan usarse para transmitir información entre ellas.
"En última instancia, nuestro objetivo es crear un microbioma sintético con especies bacterianas completas o mayormente diseñadas en nuestro intestino, cada una de las cuales tiene una función especializada por ejemplo, detectar y curar enfermedades, crear moléculas beneficiosas, mejorar la digestión, etc. pero tambiénse comunica con los demás para garantizar que todos estén equilibrados para una salud humana óptima ", dijo el autor correspondiente Silver, Ph.D., miembro fundador de la Facultad del Instituto Wyss, quien también es profesor de Elliot T. y Onie H. Adams.Bioquímica y biología de sistemas en HMS.
"El microbioma es la próxima frontera en medicina y bienestar. El diseño de nuevas tecnologías para mejorar los microbios intestinales al tiempo que se aprecia que funcionan como parte de una comunidad compleja, como se hizo aquí, representa un gran paso adelante en estodirección ", dijo el Director Fundador de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en HMS y el Programa de Biología Vascular en el Hospital de Niños de Boston, así como Profesor de Bioingeniería en SEAS.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Lindsay Brownell. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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