Millones de personas toman cápsulas de probióticos con el objetivo de mejorar su digestión, pero ¿y si esas bacterias también pudieran detectar enfermedades en el intestino e indicar cuándo algo anda mal? Nueva investigación del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard y Harvard MedicalLa escuela HMS ha creado una forma efectiva y no invasiva de identificar rápidamente nuevos biosensores bacterianos que pueden reconocer e informar la presencia de varios desencadenantes de enfermedades en el intestino, ayudando a preparar el escenario para una nueva frontera de monitoreo y tratamiento de la salud digestiva.el artículo se publica en mSystems .
"Nuestra comprensión de cómo se comporta el microbioma intestinal humano todavía está en sus primeras etapas, lo que ha obstaculizado la investigación a gran escala para crear biosensores a partir de bacterias vivas", dijo David Riglar, Ph.D., un ex postdoc en el WyssInstitute y HMS, que ahora lidera un grupo de investigación como Sir Henry Dale Fellow en el Imperial College de Londres. "Este trabajo proporciona una plataforma de alto rendimiento para identificar elementos genéticos en bacterias que responden a diferentes señales en el intestino, lo que nos acerca un paso más adiseñando vías complejas de señalización en bacterias que les permiten detectar e incluso tratar enfermedades a largo plazo ".
La nueva plataforma se basa en el trabajo previo del laboratorio del miembro de la Facultad Fundadora de Wyss, Pamela Silver, Ph.D. que diseñó un circuito genético que consiste en un "elemento de memoria" derivado de un virus y un "elemento desencadenante" sintético que juntospuede detectar y registrar la presencia de un estímulo dado, originalmente, una versión desactivada del antibiótico tetraciclina. El circuito sintético se integró en los genomas de la bacteria E. coli, que se introdujeron en ratones vivos que luego recibieron tetraciclina.causó que el elemento desencadenante en el circuito bacteriano activara el elemento de memoria, que "se movió" como un interruptor que permaneció "encendido" durante una semana para que la bacteria "recordara" la presencia de la tetraciclina.luego se lee fácilmente analizando de manera no invasiva los excrementos de los animales.
El equipo luego demostró que el circuito podría modificarse para detectar e informar tetrationato una molécula natural que indica la presencia de inflamación en el intestino de ratones vivos hasta seis meses después de ser introducido en los animales, lo que demuestra queel sistema podría usarse para monitorear señales que serían útiles para diagnosticar estados de enfermedad a largo plazo en el intestino.
Pero el tetrationato es solo una molécula; para desarrollar nuevos diagnósticos basados en bacterias, los investigadores necesitaban una forma de probar rápidamente diferentes elementos desencadenantes potenciales para ver si podían responder a más señales de enfermedad.
Primero, modificaron el circuito genético al agregar un gen de resistencia a los antibióticos que se activa cuando el elemento de memoria se voltea a su estado "activado", permitiendo que las bacterias que "recuerdan" un desencadenante sobrevivan a la exposición al antibiótico espectinomicina.Con su circuito actualizado contra una amplia variedad de señales moleculares, crearon una biblioteca de diferentes cepas de E. coli que contenían cada uno el elemento de memoria y un elemento desencadenante único en su genoma. Esta biblioteca de cepas bacterianas se introdujo en las entrañas de la vida.ratones para ver si alguno de los elementos desencadenantes fue activado por sustancias en los intestinos de los ratones. Cuando crecieron bacterias de muestras fecales de ratones en un medio mezclado con espectinomicina, encontraron que crecieron varias cepas, lo que indica que sus elementos de memoria habían sido activados.durante el paso a través de los ratones.En particular, dos de las cepas mostraron una activación constante, incluso cuando se administraron a ratones de forma aislada, lo que indica que fueron activadas porcondiciones dentro del intestino de los ratones y podrían servir como sensores de señales específicas del intestino.
Los investigadores repitieron el experimento usando una biblioteca más pequeña de cepas de E. coli cuyos elementos desencadenantes eran secuencias genéticas que se cree que están asociadas con la inflamación, diez de las cuales se activaron durante el tránsito a través de los ratones. Cuando esta biblioteca se administró a ratones que tenían intestinoinflamación, una cepa particular mostró una respuesta de memoria más fuerte en ratones con inflamación en comparación con ratones sanos, lo que confirma que fue capaz de registrar con éxito la presencia de biomoléculas inflamatorias en el intestino del ratón y, por lo tanto, podría servir como un monitor vivo de la salud gastrointestinal.
"La belleza de este método es que nos permite identificar biosensores que ya existen en la naturaleza que no podríamos diseñar nosotros mismos, porque aún se desconoce gran parte de la función y regulación de los genomas bacterianos", dijo primeroautor Alexander Naydich, quien recientemente completó su doctorado en el laboratorio Silver. "Realmente estamos aprovechando la increíble diversidad genética del microbioma para encontrar soluciones potenciales de manera rápida y efectiva".
Las características adicionales del sistema incluyen la capacidad de registrar señales que se producen de forma crónica o transitoria en el intestino, así como la sensibilidad ajustable en forma de secuencias de sitios de unión a ribosomas sintéticos RBS diseñados en los elementos desencadenantes que pueden controlar la frecuenciaen el cual los promotores pueden inducir un estado de memoria "encendido" en respuesta a una señal. Estas capacidades permiten el ajuste fino de los biosensores bacterianos para detectar condiciones específicas dentro del intestino durante un período de tiempo prolongado.
"Hemos podido avanzar esta tecnología de una herramienta que prueba una cosa a una herramienta que puede probar múltiples cosas al mismo tiempo, lo que no solo es útil para identificar nuevos biosensores potenciales, sino que algún día podría convertirse en un probiótico-como una píldora que contiene colecciones sofisticadas de bacterias que detectan y registran varias señales a la vez, lo que permite a los médicos 'tomar huellas digitales' de una enfermedad y tener una mayor confianza en hacer un diagnóstico ", dijo Pamela Silver, quien también es Elliot T. y Onie H.Profesor Adams de Bioquímica y Biología de Sistemas en HMS.
"Los continuos avances realizados por el equipo de Silver en el desarrollo de dispositivos celulares vivos basados en la reingeniería genética del microbioma representan un enfoque completamente nuevo para el diagnóstico de bajo costo. Este enfoque tiene el potencial de transformar radicalmente la forma en que interactuamos y controlamossistemas biológicos, incluidos nuestros propios cuerpos ", dijo el Director Fundador de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en el HMS y el Programa de Biología Vascular en el Hospital de Niños de Boston, así como Profesor deBioingeniería en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.
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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