Microbiologie in hapklare porties
De darm opnemen met bacteriële camera’s
De kracht van het darmmicrobioom
De menselijke darm is de thuisbasis van miljoenen bloeiende microben, waaronder bacteriën, schimmels en virussen, en de genen die zij produceren. Samen vormen ze een krachtig team dat ons beschermt tegen ziekteverwekkers, ons immuunsysteem opbouwt en voedsel omzet in energie. De samenstelling van de microben in de darm wordt grotendeels beïnvloed door externe factoren, zoals voeding, geneesmiddelen en blootstelling aan het milieu. Deze verschillen in microbiële samenstelling hebben op hun beurt een grote invloed op de vatbaarheid voor ziekten. Diabetes, zwaarlijvigheid, hart- en vaatziekten en allergieën zijn bijvoorbeeld allemaal in verband gebracht met veranderingen in het microbioom. Hoewel de darm duidelijk een centrale rol speelt in de menselijke gezondheid, zijn er weinig instrumenten om deze invloedrijke gemeenschap van microben niet-invasief en direct te monitoren.
Onderzoekers in de laboratoria van Randall Platt (ETH Zürich) en Andrew Macpherson (Academisch Ziekenhuis Bern, Universiteit van Bern) proberen deze beperking te overwinnen door bacteriële cellen te ontwikkelen die niet-invasief veranderingen en interacties in de darm kunnen registreren om real-time analyses te maken van voeding, gezondheid en ziekte (Figuur 1). Deze technologie heeft het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de gepersonaliseerde gezondheidszorg, waarbij opnames van de darmen van een patiënt als leidraad kunnen dienen voor de diagnose en behandeling van ziekten.
Bacteriele cameras ontwikkelen
Om deze technologie te ontwikkelen, rustten de wetenschappers E. coli verklikkercellen uit met “opname-apparatuur” die de darmomgeving kan documenteren. Ze kozen voor E. coli omdat dit een natuurlijk voorkomende darmmicrobe is, die wordt beschouwd als een veilige optie voor probiotisch gebruik bij mensen. Om deze bacteriën opnamemogelijkheden te geven, maakten de onderzoekers gebruik van het bekende CRISPR-Cas-mechanisme. CRISPR-Cas werkt als een “camera” die micro-organismen in staat stelt fragmenten van viraal RNA of DNA op te vangen en op te slaan in een deel van hun eigen genoom, de zogeheten CRISPR-array. Deze camera stelt bacteriën in staat zich virussen te “herinneren” waarmee ze in aanraking zijn geweest, zodat ze toekomstige virusaanvallen gemakkelijker kunnen afweren en immuniteit kunnen verwerven.
In deze studie hebben de wetenschappers, in plaats van virussen te “onthouden”, het cameramechanisme zodanig gewijzigd dat de bacteriën specifieke genen kunnen onthouden die zij tijdens hun reis door het microbioom hebben geproduceerd. In dit nieuwe mechanisme slaan de bacteriën nu fragmenten van hun eigen mRNA op in de CRISPR-array. Deze mRNA-snapshots dienen als blauwdruk voor welke genen worden geproduceerd en gebruikt om cellulaire functies uit te voeren. Aangezien genexpressie grotendeels afhankelijk is van de omgeving, kunnen deze momentopnamen overvloedig inzicht verschaffen in interacties en veranderingen in de darm overuren.
Informatie opnemen over voeding en ziekte
De gemanipuleerde bacteriën werden vervolgens gebruikt om de darmomgeving van levende muizen te volgen en te rapporteren. Om deze experimenten uit te voeren, dienden de onderzoekers de E. coli bacteriecamera’s oraal toe aan de muizen, waar ze door het darmkanaal gingen. De E. coli-cellen werden geïsoleerd uit ontlastingsmonsters, en met behulp van sequencing-methoden met hoge doorvoer werd de genetische informatie ontcijferd die was opgeslagen tijdens de passage door de darm (Figuur 2).
De bacteriële camera’s waren in staat om variaties in genexpressie vast te leggen in reactie op verschillende toevoer van voedingsstoffen. Bij het analyseren van de opgenomen genetische informatie, waren de wetenschappers in staat om effectief onderscheid te maken tussen twee verschillende diëten gevoed aan de muizen. Bovendien konden de genopnames onderscheid maken tussen gezonde en ontstoken darmomgevingen, wat het potentieel van deze technologie onderstreept om vroege tekenen van ziekte te onthullen en de darmgezondheid te bewaken.
De toekomst van darmgezondheid
Deze technologie vertegenwoordigt een effectieve en niet-invasieve methode om veranderingen in de darm vast te leggen en te rapporteren, wat waardevolle inzichten verschaft over voeding en gezondheid. Als gevolg daarvan kan dit instrument worden gebruikt om te helpen bij de diagnose van ondervoeding en ziekte, en om voedings- en therapeutische behandelingen te begeleiden en te controleren. Nu een proof-of-conceptstudie bij muizen met succes is afgerond, wil het onderzoeksteam deze technologie in de toekomst vertalen naar mensen. Uitgebreide veiligheidsstudies zijn momenteel aan de gang om deze mogelijkheid te beoordelen. Blijf op de hoogte – deze bacteriële camera’s kunnen binnenkort live gaan!
Link to the original post: Schmidt, F.; Zimmermann, J.; Tanna, T.; Farouni, R.; Conway, T.; Macpherson, A. J.; Platt, R. J. Noninvasive Assessment of Gut Function Using Transcriptional Recording Sentinel Cells. Science 2022, 376. https://doi.org/10.1126/science.abm6038
Additional sources:
- Schmidt, F.; Platt, R. J. Applications of CRISPR-Cas for Synthetic Biology and Genetic Recording. Curr. Opin. Syst. Biology 2017, 5, 9–15. https://doi.org/10.1016/j.coisb.2017.05.008
- https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/bacterial-sentinel-cells-engineered-to-record-and-report-on-gut-health/
- https://www.niehs.nih.gov/health/topics/science/microbiome/index.cfm#:~:text=The%20microbiome%20is%20the%20collection,to%20human%20health%20and%20wellness
Featured image: made by the author using BioRender.com
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 