是时候保持检查微生物

人体提供了不同种类的微生物,包括细菌、古细菌、真菌、病毒、原生生物和微小的动物。这些生物的总量,是众所周知的人类微生物组,近年来,人类微生物组得到了增加研究的关注,许多科学家,现在被称为“一个器官本身”,大量的研究概述其对人类健康和疾病的贡献。微生物存在于我们的身体可以打扰我们的能量代谢和免疫,因此显著影响一系列人类疾病的发展。

然而,人类微生物组研究的一个元素,并没有成为头条新闻是科学家面临的困难,在分析它如何改变随着时间的推移,响应某些刺激。

最常采用的方法分析从粪便样本中提取细菌,然后细菌的基因组测序。而下一代测序(上天)技术的进步支持微生物研究领域,重要信息丢失的问题仍在何时何地实际上发生在肠道细菌变化。这张图片是不完整的。

在一项新的研究发表在自然通讯,科学家们已经开发出一种新颖的方法,希望可以帮助克服这些问题,完成人类微生物生理学的全貌。他们的解决方案是一个振荡的形式包含一组不同的基因电路改造的细菌基因。这些基因已经被用来检测和记录不同细菌种群的增长变化生活勇气的小鼠与单细胞的精度。

建立一个repressilator

电路中通过的三个基因编码的蛋白质tetR, cl, lacl,每个块的另一个蛋白质的表达。他们联系在一个负面反馈循环,阻遏蛋白的浓度下降低于一定水平触发表达的蛋白质被压抑。反过来,这一块第三个蛋白的表达。

所有三个基因插入一个细菌质粒,质粒的引入使科学家们记录的负面反馈循环。循环发生的数量作为衡量细胞分裂的数量。每一次细菌细胞分裂,阻遏蛋白浓度下降,因此引发repressilator周期的第二个蛋白的表达。

无论细菌增长的速度,repressilator周期重复15.5后一代又一代的细菌,使客观测量的时间。方法背后的科学家把这比作一个时钟或手表:

“想象一下,如果你有两个人戴着两个不同的手表,和第二个手放在一个人的观察是对方的两倍,”第一作者大卫Riglar解释说,博士,前Wyss研究所博士后和HMS现在领导一个研究小组为亨利爵士戴尔伦敦帝国理工学院的研究员。“如果你停止这两个手表一个小时后,他们不会同意现在是什么时间,因为他们的测量时间的变化速率的基础上第二个手的运动。相比之下,我们的repressilator像手表总是以同样的速度移动,所以不管有多少不同的人穿,他们都将给一个一致的测量时间。这种品质使我们能够更精确地研究肠道细菌的行为。”

照亮了微生物研究的方式

三种蛋白质都耦合到不同颜色的荧光分子,和一个名为repressilator-based推理的影像工作流的增长在单细胞水平(戒指)是用来跟踪的蛋白质被表达在不同的时间点在细菌的增长。

“作为一个菌落生长外,repressilator电路产生这些不同的荧光,tree-ring-like签名基于阻遏蛋白质活跃在单一细菌殖民地开始,“Riglar说。“荧光环的模式记录有多少repressilator周期发生增长以来,我们可以分析模式来研究增长率不同细菌在不同的环境中。”

团队的科学家能够监测各种不同的细菌种类的细胞分裂在体外。然后他们成长的细菌中提取的样本小鼠肠(模拟复杂的微环境)和暴露了细菌抗生素(为了模拟压力条件),观察到细菌的repressilator周期保持不变。

下一个步骤评估repressilator的性能在活的有机体内。为了实现这一点,研究人员管理大肠杆菌小鼠口服含有repressilator电路,分析了粪便样本中细菌的老鼠。他们发现repressilator系统长达16天引入之后仍然活跃,说明基因工程可以维持肠道细菌体内。使用戒指,Riglar和团队成功地分析了细菌生长模式的变化,发现细菌的repressilator电路在不同阶段可以通过添加一个“同步”化合物对小鼠的饮用水,逮捕了repressilator周期。

探索炎症

探索系统的功能研究患病的状态时,老鼠被赋予一种inflammation-inducing化合物repressilator-loaded细菌紧随其后。15个小时后,分析利用戒指说明细菌从inflammation-induced小鼠repressilators相比更广泛的阶段控制。这些发现表明,炎症启动的改变环境,导致细菌生长不一致。

“这repressilator真的允许我们探测生活肠道中的细菌行为的复杂性,不仅在健康和患病的州,而且时空上,“说通讯作者帕梅拉银,博士,谁是一个核心教员Wyss研究所和艾略特t Onie h·亚当斯HMS的生物化学和系统生物学教授。“事实上,我们可以re-synchronize repressilator当它已经在肠道,以及维护它而不需要管理选择性抗生素,也意味着我们可以研究微生物在一个更自然状态的破坏最小。”

合成生物学

科学家们注意到,除了帮助我们理解微生物动力学,repressilator工具可以作为平台synthetic-biology-based诊断肠道内各种应用程序。他们提供的一个例子是建立一个系统程序启动基因转录的级联一个特定点的昼夜节律,或诊断测试措施后多少时间已经过一定的生物标志物的检测。

“这不仅研究解决一个具体问题相关监测动态变化生活肠道内的微生物生理学,它提供了一个平台,可能导致全新类型的诊断,甚至时间疗法,”总结道,唐纳德·因格贝尔Wyss创始董事博士。

参考:Riglar et al . 2019。细菌多样性在哺乳动物肠道被一个单细胞合成振荡器。自然通讯。DOI:https://doi.org/10.1038/s41467 - 019 - 12638 - z。