В кишечнике млекопитающих живут триллионы микроорганизмов, которые так или иначе влияют на здоровье и возникновение болезней. Большая часть из них современной наукой изучена плохо, и разработано не так много технологий для изучения процессов, происходящих в кишечнике.

Зато у бактерий на протяжении десятков тысяч лет формировались генетически кодируемые сенсоры, которые распознают различные виды частиц. Поэтому генетически модифицированные сенсорные бактерии обладают достаточным потенциалом для изучения кишечника и диагностики кишечных заболеваний. Подобно электрикам, которые проектируют схемы их проводов и электронных компонентов, биологи используют генетические схемы для программирования одноклеточных существ на выполнение сложных операций по обработке информации.

Биологи из Университета Райса создали кишечных бактерий, способных распознавать колит — воспаление толстой кишки, — у мышей. В дальнейшем разработку можно использовать для изучения того, как кишечные бактерии взаимодействуют с организмом человека на молекулярном уровне. Кроме того, бактерий могут быть своеобразным тестом для мониторинга состояния и болезней кишечника.

В своей предыдущей работе они сделали предположение, что изменения в микробиоте кишечника, генетическая предрасположенность и другие факторы могут определенным образом влиять на возникновение и развитие воспалительных заболеваний кишечника — болезни Крона и язвенного колита.

Основываясь на ряде других предыдущих исследований, ученые пришли к выводу, что количество молекул тиосульфата может быть повышено во время колита. Им было трудно изучать эту связь, потому что инструментов для надежного инструмента измерения тиосульфата у животных нет. Первая цель команды ученых заключалась в разработке такого инструмента.


Работа над проектом началась в 2015 году, и его идея заключалась в использовании сенсорных бактерий. В данном случае речь идет о генетически модифицированной кишечной палочке (Escherichia coli), которая после модификации должна определять тиосульфат и связанные с ним серосодержащие соединения. Между метаболизмом серы в кишечнике и воспалением есть связь, и ученые знали, что для диагностики воспаления толстой кишки нужно было измерять именно их.

Исследователям удалось хорошо разобраться в методах программирования кишечной палочки. Бактерия начала вырабатывать флуоресцентный зеленый белок в ответ на специфические раздражители. До сих пор ни в одном другом организме не было известных генов, которые использовались бы для определения тиосульфата. Небольшое количество существует только для других соединений.

Соавтор исследования Рави Шет в 2015 году использовал компьютерную программу для определения потенциальных датчиков тиосульфата и других соединений в геноме Shewanella — типа бактерий, которые живут в морских отложениях. Группа ученых предполагает, что Shewanella, вероятно, дышит этими молекулами и использует датчики для включения соответствующих ферментов в их присутствии.

Биологи потратили один год на разработку модифицированной бактерии кишечной палочки, чтобы та реагировала на потенциальные биомаркеры, меняя свой цвет на зеленый. Потребовался еще год, чтобы доказать, что система работает и действительно обнаруживает воспаление толстой кишки у мышей.

Исследователи заставляли глотать две капли с миллиардом бактерий с датчиками как здоровых мышей, так и мышей с колитом. Через шесть часов ученые измерили активность бактерий в каждой группе. Контрольный зеленый белок можно было обнаружить при помощи проточного цитометра.

Команда выяснила, что тиосульфатный сенсор активирован у мышей с воспалением и не активирован у здоровых. Кроме того было обнаружено, что чем сильнее воспаление, тем более активными были датчики. Еще не известно, может ли повышенный уровень тиосульфата стать надежным показателем колита у людей, но сенсорные бактерии могут быть модифицированы, чтобы реагировать на другие соединения или молекулы.

В будущем исследователи планируют разработать тест на воспаление в домашних условиях, который в случае болезни будет изменять цвет кала. Такой тест поможет уменьшить ненужные и дорогостоящие визиты к врачу и процедуры колоноскопии. Для достижения этой цели команда начала сотрудничать с гастроэнтерологами из Медицинского колледжа Бэйлора.

Научная работа опубликована в журнале Molecular Systems Biology 3 апреля 2017 года
DOI: 10.15252/msb.20167416