Helfen Bakterien besser sein Freunde: Engineering mehrere Bakterienstämme kehrt antagonistische Interaktionen und führt zu mehr ausgewogene Konsortien

Helfen Bakterien besser sein Freunde: Engineering mehrere Bakterienstämme kehrt antagonistische Interaktionen und führt zu mehr ausgewogene Konsortien

Bakterien, wie Menschen, haben komplizierte Beziehungen: Sie kann entweder freundlich, neutral, oder einander antagonistisch gegenüber, und diese Beziehungen können sich ändern, je nach den Situationen, in denen Sie sich befinden. Da das Interesse in der Identifizierung der Bakterien-Spezies in die menschliche mikrobiom, die einen Beitrag zu Gesundheit und Krankheit in den letzten Jahren explodiert, so haben auch die Bemühungen zu verstehen, wie verschiedene Arten von Bakterien interagieren. Diese Kenntnisse ermöglichen könnte, die Schaffung von Bakterien-basierten Therapien und Werkzeuge, die verwendet werden könnte, um die Verbesserung der menschlichen Gesundheit, wertvolle Substanzen produzieren, reparieren oder mikrobieller ökosysteme. Aber der Herausarbeitung der Beziehungen, die auftreten, gleichzeitig zwischen verschiedenen Arten innerhalb einer Lebensgemeinschaft von Bakterien in einer komplexen Umgebung wie dem menschlichen Darm hat sich eine herkulische Herausforderung.

Nun ist die Wissenschaft einen großen Schritt näher zu diesem Ziel, Dank der Bemühungen von einem team von Forschern des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard Medical School (HMS) und Brigham and Women ‚ s Hospital (das BWH). In einem neuen Papier in der vergangenen Woche veröffentlichten mSystems, Sie berichten, dass Sie waren in der Lage, erfolgreich zu manipulieren, vier verschiedene Stämme von Bakterien im Konsortium, so dass Ihre Wechselwirkungen wurde vorteilhaft eher als feindlich und Ihre jeweiligen zahlen wurde ausgeglichener in den Umgebungen von unterschiedlicher Komplexität, einschließlich der Darm von lebenden Mäusen.

„Immer, wenn mehrere Arten nebeneinander in der gleichen Raum und die gleichen Ressourcen, die Sie wahrscheinlich zu werden, einander antagonistisch gegenüber, da Sie beide versuchen, derjenige zu sein, der überlebt,“ sagte ersten Autor Marika Ziesack, Ph. D., ein Postdoc-Forscher am Wyss-Institut und HMS. „Durch drücken der Bakterien in Richtung mehr gegenseitig vorteilhafte Interaktionen, können wir letztlich machen die ganzen Konsortium von Arten, die mehr robust und widerstandsfähig, und konnte hoffentlich eines Tages entwickeln synthetischen Konsortien, die optimal abgestimmt für die unterschiedlichsten Anwendungen im menschlichen Darm Gesundheit und bioproduktion.“

Um die Bakterien zu schön spielen mit einander, die Forscher veränderten Ihre Genome, so dass die einzelnen Arten nicht in der Lage war zu produzieren drei der Aminosäuren, die es braucht, um Funktion und überproduziert eine vierte Aminosäure. Die einzelnen Arten konnten daher nur gedeihen, wenn die drei anderen Arten waren in der Gemeinschaft und die Herstellung der Aminosäuren fehlten, die ermutigt die Bakterien zu erlassen, um ein mehr Leben-und-Leben-lassen-Ansatz.

Solche Metaboliten cross-Fütterung zwischen den Arten ist Häufig in der Natur-kann der Mensch nicht produzieren neun der 20 Aminosäuren, die wir benötigen, um unseren Körper, so müssen wir verbrauchen eine abwechslungsreiche Ernährung, um diese wesentlichen Bausteine. Viele Bakterien hängen auch von anderen Arten, die für verbindungen, die Sie nicht über die Fähigkeit zu machen, und wie die co-Abhängigkeit wird gedacht, um zu helfen, machen bakteriellen Konsortien vielfältiger, was wiederum hilft Ihnen widersetzen sich der Dominanz von einer Spezies oder Verlust eine entscheidende Mitglied, das dazu führen könnte das Konsortium zu reduzieren.

Die vier Bakterienarten, entschied sich das team für das erstellen Ihrer künstlichen Konsortiums sind alle gefunden in säugetier-Darm: E. coli, S. Typhimurium, B. thetaiotaomicron und B. fragilis. Jeder Stamm wurde genetisch modifiziert, um die überproduktion entweder Methionin, Histidin, tryptophan oder Arginin, und seine Fähigkeit zu produzieren, die drei anderen Aminosäuren war ausgeschlagen.

Um zu bewerten, ob jeder Stamm war in der Lage zu „retten“ die anderen Stämme, dass die waren einen Mangel an der Aminosäure -, dass es überproduziert, die Forscher sequenziell isoliert die verbindungen abgesondert von jeder Sorte und wuchs, die anderen Stämme in der Anwesenheit dieser verbindungen. Im Vergleich mit einer Kontrollgruppe, in der die verbindungen aus einem nicht-overproducing Belastung wurden Hinzugefügt, die jeweils die overproducers in der Lage war zu retten, die anderen Stämme in unterschiedlichem Maße, je nachdem, wie viel von einer bestimmten Aminosäure jeder Stamm benötigt, um zu wachsen.

Um zu sehen, wie die vier veränderte Stämme agierten gemeinsam als Konsortium, das Forscher züchteten Sie alle zusammen und fand, daß Sie wuchs in etwa die gleichen Proportionen, aber bei insgesamt geringere zahlen als non-engineered Versionen der gleichen Stämme zusammen gewachsen, die zeigen, dass alle von der defizienten Stämme waren in der Lage, um genug Aminosäuren von den anderen, um zu überleben und sich zu reproduzieren. Das team dann wiederholt das experiment mehrere Male, jedes mal, wenn die Verringerung der Bevölkerung ab einer Belastung von zehn Falten, um zu sehen, wie das Konsortium reagieren würde, zu verlieren ein Mitglied. Sie fanden heraus, dass in Konsortien von nicht-manipulierte Bakterien, die niedergeschlagen Belastung nicht erholen, während in Konsortien entwickelt, die Bakterien sowohl S. Typhimurium und B. theta regrew zu Ihren normalen Stufen nach knockdown. Weder E. coli noch B. fragilis in der Lage war, sich zu erholen nach knockdown, und der Verlust von B. fragilis verursacht, die das gesamte Konsortium zu wachsen, um nur die Hälfte seiner normalen Größe.

Die knockdown-Experimente zeigten auch die Beziehungen zwischen den verschiedenen Stämmen in die beiden nicht-entwickelt und konstruiert wurden. In der non-engineered-Konsortium, das fehlen von bestimmten Stämmen resultierte in der überwucherung der anderen, was darauf hinweist, dass diese Belastungen sind natürlich in Konkurrenz zueinander. Jedoch, in der engineered-Konsortium, knockdown eine Spezies nicht wesentlich ändern, die Proportionen des übrigen Arten, und in der Tat, der knockdown von B. fragilis hatte eine negative Wirkung auf S. Typhimurium und E. coli, was darauf hinweist, dass die Anwesenheit von B. fragilis geworden war vorteilhaft für diese Arten.

Die Forscher fanden auch, dass die Konsortien veränderte Bakterien angezeigt größere Gleichmäßigkeit — etwa ähnliche Mengen der einzelnen Arten — als nicht-Konsortien entwickelt, sowohl in vitro und wenn die Konsortien, die geimpft wurden in die Eingeweide von Bakterien-freie Mäuse. Dieser trend war auch vorhanden, wenn die Bakterien gewachsen waren, die in niedrig-amino-Säure-Umgebungen, die angibt, dass die veränderte Bakterien waren erfolgreich in der Lage, cross-feed jede andere Aminosäuren zu erstellen, die eine stabile Gemeinschaft.

„Wie erwartet in einem komplexen Netzwerk von Arten, nicht alle Bakterienstämme interagiert mit jeder anderen ebenso; die engineered E. coli und S. Typhimurium scheinen zu „mooch“ aus der Bacteroides-Arten ohne Angabe, wie viel von einem Vorteil zurück zu den anderen Mitgliedern, damit zukünftige Forschung könnte sich auf die Optimierung, wie viel die einzelnen Arten viele seiner gegebenen Aminosäure und verbraucht für andere, verbessern die Allgemeine fitness des Konsortiums ohne Kompromisse Arten Ebenheit“, sagte co-entsprechenden Autor Pamela Silver, Ph. D., Gründungs-Core Fakultätsmitglied an der Wyss Institut, der auch die Elliot T. und Onie H. Adams Professor für Biochemie und Systembiologie an der HMS.

Andere mögliche Richtungen für die Forschung gehört die Einführung Kaskaden von Interaktionen so, dass jeder Stamm nimmt in einer Verbindung von einem anderen Stamm, ändert es, und „gibt es weiter“, um eine weitere Belastung für die weitere Verarbeitung, auf die Schaffung eines effizienteren bioproduktion Fließband zu erstellen, der Chemikalien, der pharmazeutischen oder industriellen Interesse.

„Wir sind schließlich daran interessiert, Rational zu entwerfen Konsortien von nützlichen Bakterien, die Funktion in komplexen Umgebungen, einschließlich der menschlichen Darm, die für medizinische Anwendungen. Die Einführung des „freundlichen“ Interaktionen zwischen Bakterien ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Lage, um die Kontrolle über diese Konsortien, so dass Sie nicht zeigen überwucherung Verhaltensweisen oder Verluste von Arten und können Ihre beabsichtigten Funktionen“, sagte co-entsprechenden Autor Georg Gerber, M. D., Ph. D., der auch Leiter der Abteilung Computational Pathologie am Brigham and Women ‚ s Hospital und Professor an der HMS, sowie co-Direktor des Massachusetts-Host-Mikrobiom-Center an der Brigham.

„Die Möglichkeit zum konvertieren eines Typs der bakteriellen Konsortiums in eine andere stabile Gemeinschaft ist eine der großen Herausforderungen in der mikrobiom-bezogene Medizin heute, und diese Arbeit von Pam Silber und Ihre Mitarbeiter stellt einen wichtigen ersten Schritt in Richtung der Entwicklung von Möglichkeiten zur Konstruktion dieser Schalter in einer kontrollierten Art und Weise,“ sagte Wyss-Institut-Gründungsdirektor Donald Ingber, M. D., Ph. D., der auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der HMS und der Vaskulären Biologie-Programm am Boston Children ‚ s Hospital, sowie Professor für Bioengineering an der Harvard ‚ s John A. Paulson School of Engineering und Angewandte Wissenschaften (MEERE.

Weitere Autoren des Papiers gehören Wyss-Institut Senior Staff Scientist Jeffrey Weise, Ph. D;; ehemaligen Wyss-Institut-Mitglieder John Oliver, Ph. D., Andrew Shumaker, Ph. D., und David Riglar, Ph. D;; ehemalige HMS Research Fellow Tobias Giessen, Ph. D;; HMS Postdoctoral Fellow Bryan Hsu, Ph. D;; und Travis Gibson, Ph. D., Nicholas DiBenedetto, und Lynn Bry, M. D., Ph. D. vom Massachusetts Host-Mikrobiom-Center an der Brigham-& Women ‚ s Hospital und HMS.

Diese Forschung wurde unterstützt von der DARPA, der National Institutes of Health, der Harvard Digestive Diseases Center, und der Wyss Institut für Biologisch Inspirierte Engineering an der Harvard University.