Výskumníci z ETH Zürich, Univerzitnej nemocnice v Berne a Univerzity v Berne vo Švajčiarsku vybavili črevné baktérie funkciou záznamníka údajov ako spôsob monitorovania, ktoré gény sú v baktériách aktívne. Tieto mikroorganizmy by jedného dňa mohli ponúknuť neinvazívny spôsob diagnostiky chorôb alebo hodnotenia vplyvu stravy na zdravie.
Naše črevá sú domovom nespočetných baktérií, ktoré nám pomáhajú tráviť jedlo. Ale čo presne robia mikroorganizmy vo vnútri tela? Ktoré enzýmy produkujú a kedy? A ako baktérie metabolizujú zdraviu prospešné potraviny, ktoré nám pomáhajú vyhnúť sa chorobám?
Na získanie odpovedí na takéto otázky výskumníci z Katedry vedy a inžinierstva biosystémov na ETH Zürich modifikovali baktérie tak, aby fungovali ako zapisovače údajov pre informácie o génovej aktivite. Spolu s vedcami z Univerzitnej nemocnice v Berne a Univerzity v Berne teraz testovali tieto baktérie na myšiach. Ide o dôležitý krok smerom k budúcemu využívaniu senzorických baktérií v medicíne na aplikácie, ako je diagnostika podvýživy a pochopenie toho, ktoré diéty sú pre jednotlivca dobré.
Imunitný systém sa stáva záznamníkom údajov
Funkciu záznamníka údajov vyvinuli v posledných rokoch výskumníci pod vedením Randalla Platta, profesora biologického inžinierstva na ETH Zürich. Na tento účel použili mechanizmus CRISPR-Cas, čo je typ imunitného systému, ktorý sa prirodzene vyskytuje u mnohých bakteriálnych druhov. Ak sú baktérie napadnuté vírusmi, môžu začleniť útržky vírusovej DNA alebo RNA do časti svojho vlastného genómu nazývanej pole CRISPR. To umožňuje baktériám „zapamätať si“ vírusy, s ktorými boli v kontakte, čo im umožňuje rýchlejšie bojovať proti budúcemu vírusovému útoku.
Aby sa tento mechanizmus použil ako záznamník údajov, výskumníci sa nezaoberali útržkami DNA vírusových votrelcov, ale zamerali sa na niečo iné: mechanizmus možno využiť tak, že baktérie začlenia útržky svojej vlastnej messengerovej RNA (mRNA) do poľa CRISPR. Molekuly mRNA sú plánom, ktorý bunky používajú na výrobu proteínov. Útržky mRNA ako také môžu odhaliť, ktoré gény sa používajú na vytváranie proteínov na vykonávanie bunkových funkcií.
Aby bola metóda efektívna, vedci zaviedli rad CRISPR bakteriálneho druhu Fusicatenibacter saccharivorans do kmeňa črevnej baktérie Escherichia coli, ktorá sa považuje za bezpečnú pre ľudí a je dostupná ako probiotikum. Prenos zahŕňal plán enzýmu nazývaného reverzná transkriptáza, ktorý je schopný prepísať RNA do DNA. Tento enzým tiež prepisuje informácie v mRNA do formy DNA, ktorá je spolu so sprievodnými proteínmi spojenými s CRISPR nevyhnutná na začlenenie fragmentu DNA do poľa CRISPR.
Získavanie informácií bez narušenia tela
Potom výskumníci z Univerzitnej nemocnice v Berne a Univerzity v Berne pod vedením Andrewa Macphersona podávali tieto modifikované črevné baktérie myšiam v laboratóriu. Odoberali vzorky stolice od zvierat a izolovali bakteriálnu DNA, ktorú potom analyzovali pomocou vysoko-výkonového sekvenovanie DNA. S následným bioinformatickým hodnotením, vykonaným a posúdeným v spolupráci, boli schopní prepracovať sa cez množstvo údajov a zrekonštruovať genetickú informáciu útržkov mRNA. To umožnilo vedcom určiť neinvazívnymi prostriedkami, ako často črevné baktérie vyprodukovali danú molekulu mRNA počas svojho pobytu v tele, a teda ktoré gény sú aktívne.
Ako uviedol Andrew Macpherson, profesor a riaditeľ gastroenterológie z Univerzitnej nemocnice v Berne: „Táto nová metóda nám umožňuje získavať informácie priamo z čreva, bez toho, aby sme museli narúšať črevné funkcie.“ Metóda ako taká má veľké výhody oproti endoskopiám, ktoré môžu byť pre pacientov nepríjemné a vždy pri nich dochádza k narušeniu funkcie čriev, keďže črevá musia byť na vyšetrenie prázdne.
Určenie stavu stravy
Ako uviedol Macpherson: „Baktérie sú veľmi dobré pri registrácii podmienok prostredia a pri prispôsobovaní svojho metabolizmu novým okolnostiam, ako sú zmeny v stravovaní.“ Pri pokusoch s myšami, ktoré dostávali rôzne jedlá, sa vedcom podarilo ukázať, ako baktérie prispôsobili svoj metabolizmus príslušnému prísunu živín. Správa o zisteniach bola uverejnená v najnovšom čísle odborného časopisu Science.
Vedci by chceli metódu ďalej rozvíjať, aby jedného dňa mohli študovať ľudských pacientov, aby videli, ako strava ovplyvňuje črevný ekosystém a ako to ovplyvňuje zdravie. V budúcnosti dúfajú, že túto metódu použijú na zisťovanie stravovacieho stavu detí alebo dospelých. Vyzbrojení týmito informáciami budú lekári schopní diagnostikovať podvýživu alebo rozhodnúť, či pacient potrebuje výživové doplnky.
Okrem toho vedci dokázali rozpoznať zápalové reakcie v čreve. Výskumníci podávali senzorové baktérie myšiam so zápalom čriev, ako aj zdravým myšiam. Týmto spôsobom by mohli identifikovať špecifický profil mRNA črevných baktérií, ktoré prechádzajú do zápalového režimu.
Rozlišovanie rôznych baktérií
Súčasný výskum publikovaný v časopise Science zahŕňa vedecký vývoj, ktorý umožňuje výskumníkom rozlíšiť dva kmene baktérií od seba na základe individuálnych genetických „čiarových kódov“. V budúcnosti to umožní skúmať na laboratórnych zvieratách funkciu génových mutácií baktérií. To umožní vedcom porovnať profil mRNA rôznych baktérií, napríklad normálnych v porovnaní s mutantnými baktériami. Vďaka molekulárnemu záznamníku údajov je možné po prvý raz určiť tento profil, pretože prechádzajú črevom nielen vtedy, keď sa baktérie dostanú do stolice, takže informácie ukazujú, čo sa dialo, keď baktérie ešte žili v dobre.
Ďalšou predstaviteľnou cestou by bol ďalší vývoj systému na rozlíšenie profilov RNA baktérií v tenkom a hrubom čreve. Okrem toho by funkcia záznamníka údajov mohla byť začlenená do iných typov baktérií. To by otvorilo dvere aplikáciám v oblasti monitorovania životného prostredia. Napríklad analýza pôdnych baktérií z poľa s plodinami by zistila, či boli použité herbicídy.
Bezpečná aplikácia možná
Výskumníci podali patentové prihlášky na samotnú metódu a na charakteristické profily RNA, ktoré sú podpismi určitých molekúl výživy a indikátorov zdravia čriev.
Pred použitím senzorových baktérií mimo laboratória – vrátane ľudských pacientov – musia vedci ešte objasniť rôzne bezpečnostné a právne otázky, pretože baktérie boli geneticky modifikované. Ako vysvetlil Platt: „V zásade existujú spôsoby využitia živých geneticky upravených mikroorganizmov ako diagnostických alebo terapeutických činidiel v medicíne za predpokladu, že sú splnené určité podmienky.“ Je možné napríklad upraviť senzorové baktérie tak, aby potrebovali určité živiny, a preto mohli prežiť iba v črevách pacienta. Len čo tieto konkrétne baktérie opustia črevo, zomrú. Integrácia vhodných bezpečnostných mechanizmov je ďalším krokom k aplikácii metódy v medicíne.
Túto výskumnú prácu podporili granty ERC udelené Randallovi Plattovi a Andrewovi Macphersonovi a grant od Botnar Research Center for Child Health. Štúdie na myšiach sa uskutočnili v zariadení Clean Mouse Facility na Univerzite v Berne, ktoré podporuje výskumná nadácia Genaxen.
Viac informácií:
Schmidt F, Zimmermann J, Tanna T, Farouni R, Conway T, Macpherson AJ, Platt AJ: Noninvasive assessment of gut funtion using transcriptonal recording sentinel cells. Science, 12 May 2020, doi: 10.1126/science.abm6038
Zdroj: https://ethz.ch, zverejnené: 16. 5. 2022, autor: rpa
