Microbiologie in hapklare porties
Het kapen van virussen om schadelijke bacteriën te bewerken
In ons lichaam leven triljoenen kleine organismen, waaronder bacteriën, virussen en schimmels, die samen bekend staan als het menselijke microbioom. Deze microscopische bewoners spelen een cruciale rol in onze gezondheid, van het helpen bij de spijsvertering tot het beïnvloeden van ons immuunsysteem. Sommige bacteriën kunnen onze gezondheid echter negatief beïnvloeden, het succes van therapieën beïnvloeden, bijdragen aan verschillende ziekten en zelfs in verband worden gebracht met kanker. Daarom zijn wetenschappers op zoek gegaan naar manieren om de genen van deze schadelijke bacteriën te veranderen.
Virussen als redding
Wetenschappers hebben een nieuwe manier ontdekt om de genen van bacteriën te veranderen. Ze gebruiken virussen die normaal gesproken bacteriën infecteren – fagen – en passen deze aan om gen-wijzigende gereedschappen bij zich te dragen en af te leveren in de bacteriën. Deze gereedschappen werken als kleine scharen, knippen specifieke delen van de genen van de bacterie door en veranderen hoe ze werken.
De aangepaste virusdeeltjes werden ontworpen om aan bepaalde markers op de bacterie te blijven plakken. Hierdoor kunnen ze de genbewerkingstools in één keer aan een groot aantal bacteriën in hun natuurlijke omgeving toedienen. Op deze manier hoeven ze niet alle bacteriën te vervangen door genetisch gemodificeerde exemplaren, wat het evenwicht van het microbioom zou kunnen verstoren. Om de verspreiding van de bewerkte genen te voorkomen, zorgden de wetenschappers ervoor dat het genbewerkingsprogramma alleen kopieën van zichzelf kan maken in het virus, niet in de bacteriën. Hierdoor kan het gen-editingtool goed werken en blijvende veranderingen in de bacteriën aanbrengen.
Levering op maat
Als casestudy ontwikkelden de onderzoekers een virus genaamd faag Ur-λ om beter te kunnen binden aan de E. coli-bacterie, die infecties kan veroorzaken. De faag Ur-λ kan zich aan E. coli-cellen hechten door de zijdelingse staartvezel (als een touw) en een speciaal eiwit gpJ aan de staartpunt (als een haak).
Ze brachten twee veranderingen aan in het virus:
Om te voorkomen dat de nieuwe haken en het touw aan hetzelfde deel van de E. coli-cellen blijven plakken, maakten de wetenschappers ook een nieuw touw. Ze namen een deel van het oorspronkelijke touw van het virus en voegden dit samen met het touw van een ander virus. Dit nieuwe touw kan een ander deel van E. coli herkennen, lipopolysacchariden genaamd, moleculen die helpen om de structuur en stabiliteit van het bacteriële buitenmembraan te behouden en een barrière vormen om de bacterie te beschermen tegen schadelijke stoffen zoals antibiotica.
De wetenschappers maakten verschillende soorten haken door andere natuurlijk voorkomende haken te verbinden met de oorspronkelijke haak van het virus. En om het virus nog beter te laten hechten aan E. coli-bacteriën, zorgden ze ervoor dat het nieuwe type haak kan hechten aan een speciaal onderdeel van E. coli dat de OmpC-receptor wordt genoemd, die kleine moleculen door het bacteriële buitenmembraan laat binnendringen.
De op maat gemaakte faag Ur-λ, met gen-editing tools, plakt aan een E. coli-bacterie met zijn nieuw ontworpen haak die de OmpC-receptor herkent en touw dat de lipopolysacchariden herkent. Afbeelding gemaakt door de auteur met Biorender.com.
Om de efficiëntie van deze op maat gemaakte virussen te testen bij het afleveren van hun lading (de gen-bewerkingshulpmiddelen) in E. Coli, voegden de onderzoekers ook een gen toe dat codeert voor fluorescerend eiwit. Vervolgens maten ze de fluorescentie in verschillende E. Coli-stammen. Hun methode werkte goed met veel stammen en vertoonde een verbeterde efficiëntie met bepaalde stammen.
Succes in laboratorium en muizen
De onderzoekers testten de op maat gemaakte aflevervirussen op drie verschillende soorten schadelijke darmbacteriën in het lab. Ze waren in staat om het genbewerkingsprogramma op meer dan 90% van elk type bacterie af te leveren. Vervolgens richtten ze zich op specifieke genen in de bacteriën die verband houden met ziekten. De resultaten waren indrukwekkend, met tot 92% succes bij het bewerken van deze genen. Dit betekent dat ze in staat waren om deze schadelijke genen effectief ‘uit te knippen’. Belangrijk is dat de methode zeer nauwkeurig was en geen ongewenste veranderingen elders in het DNA van de bacterie veroorzaakte.
Tot slot probeerden de wetenschappers hun methode uit op muizen. De muizen kregen drie verschillende doseringen van het door costum gemaakte virus. Om te controleren hoe goed de base-editing tool werkte, werd digitale druppel-PCR gebruikt om de concentratie van het bewerkte gen in muizenontlastingmonsters te meten. Deze techniek verdeelt het monster in duizenden druppeltjes en gebruikt dan twee fluorescerende probes met een verschillende kleur die zich binden aan ofwel het normale gen ofwel het bewerkte gen. Door de fluorescerende kleur van elk druppeltje te tellen, kunnen ze de hoeveelheid bewerkt gen kwantificeren. Afhankelijk van de dosis van de behandeling waren ze in staat om 64-79% van de E. coli-bacteriën in de darmen van de muizen te veranderen. De behandeling leek de bacteriën niet te schaden of de algemene balans van het darmmicrobioom te veranderen. Toen ze één dosis selecteerden en de behandeling drie dagen achter elkaar gaven, steeg het succespercentage van 36% naar 68%. Zelfs drie weken na de behandeling had ongeveer 70% van de bacteriën nog steeds het bewerkte gen.
Deze nieuwe methode zou gebruikt kunnen worden om ziekten te behandelen door het microbioom aan te pakken. Het biedt een nieuwe manier om bacteriële infecties te bestrijden en te bestuderen hoe specifieke bacteriële genen bijdragen aan ziekte. Dit onderzoek opent nieuwe mogelijkheden voor behandelingen en helpt ons meer te begrijpen over hoe bacteriële genen onze gezondheid beïnvloeden.
Link to the original post: Brödel, A.K., Charpenay, L.H., Galtier, M. et al. In situ targeted base editing of bacteria in the mouse gut. Nature 632, 877–884 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07681-w
Featured image: created by author in DALL-E 3.
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 