Los biólogos sintéticos de la Universidad de Rice han diseñado bacterias intestinales capaces de detectar colitis, una inflamación del colon, en ratones. La investigación señala el camino hacia nuevos experimentos para estudiar cómo las bacterias intestinales y los huéspedes humanos interactúan a nivel molecular y eventualmente podrían conducira las bacterias ingeribles por vía oral para controlar la salud y la enfermedad intestinal.
La investigación, publicada en un nuevo estudio en Biología de sistemas moleculares , involucró una serie de avances en el laboratorio de Jeffrey Tabor, profesor asistente de bioingeniería y biociencias en Rice, y contribuciones clave de los colaboradores Robert Britton y Noah Shroyer en el Baylor College of Medicine. El equipo de Tabor, incluido el coautor principal yLa investigadora postdoctoral Kristina Daeffler, identificó el primer sensor genéticamente codificado de un nuevo biomarcador vinculado a la inflamación, insertó los genes del sensor en una bacteria intestinal bien estudiada y colaboró con Shroyer y Britton para utilizar las bacterias diseñadas para detectar la inflamación del colon en ratones.
"El intestino alberga billones de microorganismos que juegan un papel clave en la salud y la enfermedad", dijo Tabor. "Sin embargo, es un lugar oscuro y relativamente inaccesible, y se han desarrollado pocas tecnologías para estudiar estos procesos en detalle. Por otro ladoPor otro lado, las bacterias han desarrollado decenas de miles de sensores genéticamente codificados, muchos de los cuales detectan moléculas ligadas al intestino. Por lo tanto, las bacterias del sensor genéticamente modificadas tienen un tremendo potencial para estudiar las vías intestinales y diagnosticar enfermedades intestinales ".
Los biólogos sintéticos como Tabor se especializan en programar organismos unicelulares como las bacterias de la misma manera que un ingeniero podría programar un robot. En particular, el equipo de Tabor está trabajando para desarrollar sensores bacterianos que puedan detectar señales de enfermedades en el intestino. Al igual que los ingenieros eléctricosquienes construyen circuitos a partir de cables y componentes electrónicos, el equipo de Tabor usa circuitos genéticos para programar criaturas unicelulares para llevar a cabo un procesamiento de información complejo.
El trabajo anterior ha sugerido que las alteraciones de la microbiota intestinal, la predisposición genética y otros factores ambientales pueden desempeñar un papel clave en la enfermedad inflamatoria intestinal, una afección que incluye la enfermedad de Crohn y la colitis ulcerosa y que afecta a 1,6 millones de estadounidenses.
"Según una serie de estudios previos, planteamos la hipótesis de que la molécula de tiosulfato puede estar elevada durante la colitis", dijo Daeffler. "Ha sido difícil para los científicos estudiar este vínculo porque no existen herramientas para medir de manera confiable el tiosulfato en la vidaanimales. Nuestro primer objetivo en este proyecto fue diseñar una herramienta de este tipo ".
Daeffler dijo que desde el inicio del proyecto en 2015, la idea era usar bacterias sensoriales, en este caso una forma de ingeniería de Escherichia coli , para detectar tiosulfato y compuestos que contienen azufre relacionados que también pueden ser biomarcadores de colitis. Había métodos bien conocidos para la programación E. coli para producir una proteína verde fluorescente en respuesta a estímulos específicos, pero no había genes conocidos, en ningún organismo, que se usaran para detectar tiosulfato, y pocos para los otros compuestos.
"Existe un vínculo entre el metabolismo del azufre intestinal y la inflamación, y sabíamos que necesitábamos poder medir los metabolitos de azufre con precisión para diagnosticar la inflamación del colon", dijo.
Tabor dijo que el coautor del estudio Ravi Sheth, investigador universitario del grupo en 2015, usó un programa de computadora para identificar posibles sensores de tiosulfato y otros compuestos de azufre en el genoma de Shewanella , un tipo de bacteria que vive en los sedimentos marinos. El grupo de Tabor cree que Shewanella probablemente respire estas moléculas y use los sensores para activar las enzimas apropiadas en su presencia.
Daeffler pasó un año en ingeniería E. coli para expresar los genes sensores, validar su función y optimizarlos para responder a los biomarcadores potenciales mediante la producción de una señal de proteína fluorescente verde. Tomó otro año demostrar que el sistema funcionó y detectó inflamación del colon en ratones.
Los investigadores administraron por vía oral dos gotas que contenían aproximadamente mil millones de bacterias sensoras tanto a ratones sanos como a ratones con colitis. Midieron la actividad de las bacterias sensoras en cada grupo seis horas después. La proteína fluorescente verde reveladora apareció en elheces de los ratones. Aunque no era visible a simple vista, se podía medir fácilmente con un instrumento de laboratorio estándar llamado citómetro de flujo.
El equipo descubrió que el sensor de tiosulfato se activó en los ratones con inflamación y no se activó en los ratones sanos. Además, los investigadores descubrieron que cuanto más inflamación tenía el ratón, más se activaba el sensor.
Tabor dijo que el estudio muestra que las bacterias intestinales pueden equiparse con sensores de ingeniería y usarse para medir de forma no invasiva metabolitos específicos y que este resultado podría abrir la puerta a muchos estudios nuevos que podrían ayudar a dilucidar una amplia gama de procesos intestinales.
Aunque probablemente tomaría varios años adicionales de desarrollo, y aún se desconoce si el tiosulfato es un biomarcador de colitis humana, la bacteria sensor podría eventualmente ser rediseñada para funcionar como un diagnóstico de colitis humana, dijo Tabor. En particular,la proteína verde fluorescente podría reemplazarse con una enzima que produce un pigmento coloreado.
"Nos gustaría desarrollar una prueba de inflamación en el hogar donde una persona propensa a los brotes de colitis comiera yogur que contuviera las bacterias modificadas y vería pigmento azul en el inodoro si estuviera enferma", dijo.
Tabor dijo que tal prueba podría reducir los viajes innecesarios y costosos al médico y los procedimientos innecesarios de colonoscopia, que son costosos e invasivos. Dijo que su equipo ha comenzado colaboraciones con gastroenterólogos en Baylor para lograr este objetivo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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