Aider les bactéries mieux amis

Les bactéries, comme les personnes ont des relations compliquées: elles peuvent soit être amical, neutres ou hostiles les uns envers les autres, et ces relations peuvent changer en fonction des situations dans lesquelles ils se trouvent. À titre d’intérêt dans l’identification des espèces bactériennes présentes dans le microbiome humain qui contribuent à la santé et de la maladie a explosé au cours des dernières années, les efforts visant à comprendre comment les différentes espèces de bactéries interagissent. Cette connaissance pourrait permettre la création de bactéries, des thérapies et des outils qui pourraient être utilisés pour améliorer la santé humaine, de produire des substances précieuses ou de réparation des écosystèmes microbiens. Cependant, les taquineries, les relations qui se produisent simultanément entre plusieurs espèces au sein d’un consortium de bactéries dans un environnement complexe comme l’intestin humain est avéré être un défi herculéen.



Maintenant, la science est un grand pas de plus vers cet objectif, grâce aux efforts d’une équipe de chercheurs du Wyss Institute for Biologically inspired Engineering, de la Harvard Medical School (HMS), et Brigham et à Hôpital des Femmes (BWH). Dans un nouveau rapport publié la semaine dernière dans mSystems, ils signalent qu’ils ont réussi à manipuler les quatre souches différentes de bactéries dans un consortium ainsi que de leurs interactions est devenu avantageux, plutôt qu’antagonistes et leurs nombres respectifs est devenu plus équilibré dans les environnements de complexité variable, y compris l’intestin de souris vivantes.


“Chaque fois qu’il y a plusieurs espèces qui coexistent dans le même espace et en utilisant les mêmes ressources, ils sont susceptibles d’être hostiles les uns envers les autres parce qu’ils sont tous les deux en train d’être celui qui survit”, a déclaré le premier auteur Marika Ziesack, Ph. d., un Chercheur Postdoctoral à l’Institut Wyss et le HMS. “En poussant les bactéries vers plus d’interactions mutuellement bénéfiques, on peut finalement rendre l’ensemble du consortium des espèces plus robustes et résistants, et peut espérer un jour développer synthétique les consortiums qui sont parfaitement adaptés pour diverses applications dans l’intestin humain de la santé et de la bioproduction.”


Pour obtenir les bactéries à jouer très bien les uns avec les autres, les chercheurs ont modifié leurs génomes, de sorte que chaque espèce a été incapable de produire des trois acides aminés dont il a besoin pour fonctionner et surproduit un quatrième acides aminés. Chaque espèce ne peut donc prospérer si les trois autres espèces étaient présentes dans la communauté et de produire les acides aminés dont il manquait, ce qui a encouragé les bactéries à adopter un vivre-et-laisser-vivre approche.


Tel métabolite de la croix-alimentation entre l’espèce est commune dans la nature-l’homme ne peut pas produire de neuf des 20 acides aminés nous avons besoin pour maintenir notre corps, de sorte que nous devons consommer une alimentation variée pour obtenir ces composantes essentielles. De nombreuses bactéries dépendent également d’autres espèces pour les composés qu’ils n’ont pas la capacité de faire, et de la co-dépendance est pensé pour aider à faire bactérienne consortiums de plus en plus diversifiée, ce qui leur permet de résister à la domination d’une espèce, ou de perte d’un membre essentiel qui pourrait conduire le consortium de l’effondrement.


Les quatre espèces bactériennes, l’équipe a choisi de créer leur artificiel consortium sont tous présents dans les mammifères de l’intestin: E. coli, S. Typhimurium, B. thetaiotaomicron, et B. fragilis. Chaque souche a été génétiquement modifié pour surproduire soit la méthionine, histidine, tryptophane, ou de l’arginine, et sa capacité à produire les trois autres acides aminés a été assommé.


Afin d’évaluer si chaque souche a été en mesure de “sauver” les autres souches qui étaient déficients en acides aminés qu’il surproduit, les chercheurs ont isolé de manière séquentielle les composés sécrétés par chaque souche et a grandi les autres souches de la présence de ces composés. En comparaison avec un groupe de contrôle dans lequel les composés à partir d’un non-surproduisant la souche ont été ajoutés, chaque overproducers a réussi à sauver les autres souches à des degrés divers, selon la façon dont beaucoup d’un acide aminé chaque souche nécessaires à la croissance.


Pour voir comment les quatre souches modifiées interagi collectivement en tant que consortium, les chercheurs ont cultivé tous ensemble et a constaté qu’ils ont augmenté à peu près dans les mêmes proportions, mais à moindre nombre total de non-ingénierie des versions des mêmes souches cultivées ensemble, montrant que toutes les souches déficientes ont été en mesure d’obtenir suffisamment d’acides aminés à partir des autres afin de survivre et de se reproduire. L’équipe a ensuite répété cette expérience plusieurs fois, à chaque fois que la réduction de la population de départ d’une souche de dix fois pour voir comment le consortium allait réagir à la perte de l’un des membres. Ils ont constaté que dans le cadre de consortiums de non-ingénierie des bactéries, le renversé de la souche n’a pas récupérer, tandis que dans les consortiums des bactéries à la fois de S. Typhimurium et B. thêta regrew à leurs niveaux normaux après inactivation. Ni E. coli ni B. fragilis a été en mesure de récupérer après la précipitation, et la perte de B. fragilis provoqué l’ensemble du consortium de croître à la moitié de sa taille normale.


Les expériences knockdown a également révélé que les relations entre les différentes souches dans les deux non-conçu et fabriqué des consortiums. Dans le non-ingénierie consortium, l’absence de certaines souches a entraîné la prolifération des autres, indiquant que ces souches sont naturellement en concurrence les uns avec les autres. Toutefois, dans le génie du consortium, la précipitation d’une espèce ne modifie pas significativement les proportions du reste de l’espèce, et en fait, l’inactivation de B. fragilis a eu un impact négatif sur les deux S. Typhimurium et E. coli, indiquant que la présence de B. fragilis a devenir bénéfique pour ces espèces.


Les chercheurs ont également constaté que les consortiums d’ingénierie des bactéries affiché une plus grande régularité — à peu près les mêmes quantités de chaque espèce-que les non-ingénierie des consortiums, à la fois in vitro et quand les consortiums ont été inoculées dans les entrailles de bactéries sans souris. Cette tendance était également présent lorsque les bactéries ont été cultivées dans les bas-amino-acide environnements, indiquant que l’ingénierie, les bactéries ont été avec succès en mesure de contre-nourrir les uns des autres acides aminés pour créer une communauté stable.


“Comme prévu dans un réseau complexe d’espèces, toutes les souches bactériennes en interaction les uns avec les autres aussi; le dispositif d’E. coli et S. Typhimurium semblent à “traîner” hors de les les espèces de Bacteroides sans fournir autant d’un avantage en arrière pour les autres membres, de sorte que les recherches futures devraient se concentrer sur l’optimisation combien chaque espèce surproduit de ses acides aminés et consomme d’autres, d’améliorer la condition physique générale du consortium sans compromettre les espèces de planéité,” a déclaré le co-auteur correspondant Pamela Argent, Ph. D., l’un des Fondateurs des membres du corps Professoral de l’Institut Wyss, qui est aussi le Elliot T. et Onie H. Adams, Professeur de Biochimie et de Biologie des Systèmes à HMS.


D’autres des orientations possibles pour cette recherche comprennent l’introduction de cascades d’interactions, de sorte que chaque souche bactérienne prend dans un composé à partir d’une autre souche, les modifie, et “passe la main” à une autre souche pour la poursuite du traitement, afin de créer une plus efficace bioproduction ligne d’assemblage pour créer des produits chimiques, de produits pharmaceutiques ou industrielles.


“Nous sommes en fin de compte intéressés à concevoir rationnellement des consortiums de bactéries bénéfiques qui peuvent fonctionner dans des environnements complexes, y compris l’intestin humain, pour des applications médicales. Introduire des “amis” des interactions entre les bactéries est une étape importante pour être en mesure de contrôler ces consortiums de sorte qu’ils ne présentent pas la prolifération des comportements ou des pertes d’espèces et peuvent s’acquitter de leurs fonctions,” a déclaré le co-auteur correspondant Georg Gerber, M. D., Ph. D., qui est également chef de la Division de Calcul de la Pathologie au Brigham and women’s Hospital, et Professeur Adjoint au HMS, ainsi que co-directeur du Massachusetts Hôte Microbiome Centre de la Brigham.


“Être en mesure de convertir un type de bactéries consortium dans une autre communauté stable est l’un des principaux défis dans le microbiome liés à la médecine d’aujourd’hui, et ce travail par Pam Argent et de ses collaborateurs constitue un premier pas important vers le développement de moyens d’ingénieur, ce commutateur de façon contrôlée”, a déclaré Wyss Institute Directeur Fondateur Donald Ingber, M. D., Ph. D., qui est aussi le Judah Folkman Professeur de Biologie Vasculaire au HMS et la Biologie Vasculaire Programme à l’Hôpital pour Enfants de Boston, ainsi que le Professeur de la bio-ingénierie à l’université de Harvard, John A. Paulson École d’Ingénierie et de Sciences Appliquées de MER.


D’autres auteurs du document sont Wyss Institute Personnel de direction Scientifique Jeffrey Façon, Ph. D., ancien Wyss les membres de l’Institut John Oliver, Ph. D., Andrew Shumaker, Ph. D., et David Riglar, Tél. D.; ex-HMS chercheur Tobias Giessen, Tél. D.; HMS stagiaire Postdoctoral Bryan Hsu, Tél. D.; et Travis Gibson, Ph. D., Nicolas DiBenedetto, et Lynn Bry, M. D., Ph. d. de la Massachusetts Hôte Microbiome Centre du Brigham & women’s Hospital et le HMS.


Cette recherche a été financée par la DARPA, les Instituts Nationaux de la Santé, de la Harvard Maladies Digestives le Centre, et le Wyss Institute for Biologically inspired Engineering à l’Université de Harvard.