Inżynieria jadalnych bakterii

Probiotyki, dziedzina, która stara się wykorzystywać jadalne bakterie do poprawy zdrowia ludzkiego, może wkrótce przejść metamorfozę. Studenci MIT i Caltech wykorzystują techniki biologii syntetycznej do tworzenia bakterii, które zwalczają próchnicę, wytwarzają witaminy i leczą nietolerancję laktozy, w ramach Międzynarodowe maszyny inżynierii genetycznej (iGEM) konkurs na MIT. Nowe badania mogą doprowadzić do tańszego sposobu produkcji leków lub poprawy diety w krajach rozwijających się.

Błędy niszczące płytkę nazębną: Studenci z MIT konstruują bakterię Lactobacillus bulgaricus (pokazane tutaj w kolorze brązowym), znajdujące się w jogurcie, aby zapobiec próchnicy.

Biologia syntetyczna to dążenie do projektowania i budowania nowych organizmów, które pełnią użyteczne funkcje. Wiele badań w tej dziedzinie koncentrowało się na wykorzystaniu bakterii jako fabryki: jednym z jej wczesnych sukcesów był rozwój drobnoustrojów, które produkują lek na malarię . Inne badania dotyczyły celowanych nośników dostarczania , takich jak drobnoustroje opracowane w celu dostarczania leku do określonej części ciała. Ale nowe projekty są próbą zwiększenia korzyści zdrowotnych jadalnych bakterii.

Projekty te wykorzystują fakt, że nasze ciała są już skolonizowane przez miliardy bakterii. Jeśli naprawdę chcesz zastosować bakterię u człowieka, zastanów się, gdzie naturalnie istnieją i przetrwają u człowieka, jednocześnie próbując opracować nowe funkcje, mówi Christina Smolke, biolog syntetyczny z Caltech, doradzająca zespołowi uniwersyteckiemu.

Na przykład nasze usta są schronieniem dla bakterii, zarówno dobrych, jak i złych. Bakterie żyjące w płytce nazębnej, zwane Streptococcus mutans , żywią się cukrem na naszych zębach, a następnie wydalają kwasy, które niszczą szkliwo i powodują próchnicę. Aby stworzyć drobnoustroje zwalczające ubytki, Zespół MIT rozpoczęto od peptydu – krótkiego segmentu białka – który, jak wykazano wcześniej, zapobiega przywieraniu złych bakterii do zębów. Zespół zbudował fragment DNA zawierający zarówno gen tworzący peptyd, jak i gen sygnału molekularnego, który powoduje jego wydalanie przez bakterię.

Następnym krokiem będzie wstawienie tego fragmentu DNA do Lactobacillus bulgaricus , mikrob powszechny w jogurcie. Uczniowie jeszcze tego nie zrobili, ale z powodzeniem wprowadzili obce DNA do mikroba, co przygotowuje mikroba do dalszej inżynierii genetycznej. To samo w sobie jest imponującym wyczynem, biorąc pod uwagę to Lactobacillus bulgaricus nie jest powszechnie stosowany w laboratorium i dlatego wymaga opracowania nowych technik eksperymentalnych.

Jeśli drobnoustroje da się pomyślnie zaprojektować, zjedzenie jogurtu odłoży je na zębach, gdzie wytworzy peptyd ochronny. To prawdopodobnie byłoby bardziej skuteczne niż środek przeciwbakteryjny, który zabija wszystko, mówi Chia-Yung Wu, absolwentka biologii na MIT, która doradza zespołowi. Celuje tylko w szkodliwe rzeczy. (Częstym problemem związanym z antybiotykami jest to, że zabijają one zarówno szkodliwe, jak i pomocne bakterie w jamie ustnej i jelitach, pozostawiając otwarty krajobraz do kolonizacji złych bakterii).

Jednym z głównych projektów w biologii syntetycznej jest próba stworzenia ogromnej, publicznie dostępnej listy części, katalogu sekwencji genów i funkcji powstałych białek. Zespół MIT nie zamierza opracowywać produktu do użytku komercyjnego, ale części biologiczne, które tworzy, mogą pewnego dnia zostać wykorzystane w innych zastosowaniach – na przykład podnosząc wartość odżywczą jogurtu, za pomocą bakterii wytwarzających określony rodzaj witaminy . Zespół, w skład którego wchodzą studenci, Sara Mouradian i Derek Ju, zdeponował już utworzone części w centralnym repozytorium na MIT, zwanym Rejestr standardowych części biologicznych . Poszerzenie rejestru to jeden z najważniejszych aspektów konkursu. W tym roku wysłaliśmy do każdego zespołu 2000 części DNA i otrzymujemy 1500 nowych części, mówi Randy Rettberg , dyrektor iGEM i główny naukowiec w MIT.

ten Zespół Caltech skupił się na drobnoustrojach w jelitach, mając na celu stworzenie mikrobiologicznego rozwiązania nietolerancji laktozy. Zamiast przyjmować codziennie witaminę, można wypić trochę drobnoustrojów jelitowych i zostać ustawionym na tydzień lub miesiąc lub jak długo drobnoustroje utrzymują się, mówi Josh Michener, absolwent Caltech, który doradza zespołowi.

Ludzie, którzy tolerują nabiał, naturalnie wydzielają laktazę, enzym rozkładający laktozę, cukier w mleku. Produkty rozpadu, w tym glukoza, są następnie wchłaniane do krwi z jelita cienkiego. U osób z nietolerancją laktozy cukier przechodzi do jelita grubego, gdzie jest ostatecznie metabolizowany przez łańcuch bakterii. W tym procesie drobnoustroje wytwarzają gazowy wodór i metan, które są przyczyną uciążliwych objawów choroby – nudności, wzdęć, gazów i biegunki.

Tabletki laktazy są dostępne, aby pomóc ludziom trawić produkty mleczne, ale studenci Caltech chcieli bardziej trwałego rozwiązania. Zaczęli od napięcia E coli często stosowany jako probiotyk w Niemczech. Szczep, nazwany Nissle 1917, został pierwotnie wyekstrahowany z żołnierzy podczas I wojny światowej, którzy byli odporni na ekstremalny wirus żołądkowo-jelitowy, który przetoczył się przez obóz wojskowy, mówi Michener.

Uczniowie dodali do bakterii Nissle trzy biologiczne części: gen wytwarzający enzym laktazę, receptor rozpoznający laktozę oraz czujnik, który powoduje pękanie komórki przy określonym stężeniu laktozy. Dzięki temu systemowi bakterie w jelitach będą stale wytwarzać laktazę. Kiedy receptory na zewnętrznej powierzchni bakterii zwiążą się z wystarczającą ilością laktozy, wywołają eksplozję komórki, uwalniając laktazę do jelita, aby rozłożyć cukier. Uczniowie do tej pory stworzyli pierwsze dwa komponenty, ale mają problem z zaprojektowaniem drobnoustrojów do samozniszczenia we właściwy sposób. Zespół pracuje również nad jadalnym drobnoustrojem, który produkowałby kwas foliowy, witaminę ważną w zapobieganiu wadom wrodzonym.

Oba zespoły zaprezentowały w ten weekend swoje badania w konkursie iGEM na MIT, wraz z ponad 70 innymi zespołami z uniwersytetów na całym świecie. W ostatnich latach studenci stworzyli wszystko, od bakteryjnej kliszy fotograficznej po bakterie o zapachu bananów i maleńkie pudełka z DNA.

ukryć