211service.com
Engineering eetbare bacteriën
Probiotica, een vakgebied dat eetbare bacteriën wil gebruiken om de menselijke gezondheid te verbeteren, kan binnenkort een metamorfose ondergaan. Studenten van MIT en Caltech gebruiken de technieken van synthetische biologie om bacteriën te creëren die gaatjes bestrijden, vitamines produceren en lactose-intolerantie behandelen, als onderdeel van de Internationale genetisch gemanipuleerde machines (iGEM) competitie bij MIT. Het nieuwe onderzoek zou kunnen leiden tot een goedkopere manier om medicijnen te produceren of de voeding in ontwikkelingslanden te verbeteren.
Plaque-busting bugs: Studenten van MIT ontwikkelen de bacterie Lactobacillus bulgaricus (hier in bruin weergegeven), te vinden in yoghurt, om gaatjes te voorkomen.
Synthetische biologie is de zoektocht naar het ontwerpen en bouwen van nieuwe organismen die nuttige functies vervullen. Veel onderzoek in het veld heeft zich geconcentreerd op het gebruik van bacteriën als fabriek: een van de eerste successen was de ontwikkeling van microben die malariamedicijnen produceren. Ander onderzoek heeft gerichte leveringsvoertuigen onderzocht, zoals microben die zijn ontwikkeld om medicijnen naar een specifiek deel van het lichaam te brengen. Maar de nieuwe projecten zijn pogingen om de gezondheidsvoordelen van eetbare bacteriën te vergroten.
Deze projecten spelen in op het feit dat ons lichaam al gekoloniseerd is door miljarden bacteriën. Als je een bacterie echt op een persoon wilt toepassen, bedenk dan waar ze van nature voorkomen en overleven in een mens terwijl je nog steeds nieuwe functies probeert te ontwikkelen, zegt Christina Smolke, een synthetisch bioloog bij Caltech die het team van de universiteit adviseert.
Onze mond is bijvoorbeeld een toevluchtsoord voor bacteriën, zowel goede als slechte. Bacteriën die in de tandplak leven, genaamd Streptococcus mutans , voeden zich met suiker op onze tanden en scheiden vervolgens zuren uit, die tandglazuur aantasten en gaatjes veroorzaken. Om holtebestrijdende microben te creëren, MIT-team begon met een peptide - een kort eiwitsegment - waarvan eerder is aangetoond dat het voorkomt dat de slechte bacteriën aan de tanden blijven plakken. Het team bouwde een stukje DNA dat zowel het gen bevat dat het peptide maakt als een gen voor een moleculair signaal dat ervoor zorgt dat de bacterie het uitscheidt.
De volgende stap zal zijn om dit stukje DNA in te brengen in Lactobacillus bulgaricus , een microbe die veel voorkomt in yoghurt. De studenten hebben dat nog niet gedaan, maar ze hebben met succes vreemd DNA in de microbe geïntroduceerd, wat de microbe klaarmaakt voor verdere genetische manipulatie. Dat op zich is al een indrukwekkende prestatie, aangezien Lactobacillus bulgaricus wordt niet vaak gebruikt in het laboratorium en vereist dus de ontwikkeling van nieuwe experimentele technieken.
Als de microbe met succes kan worden ontwikkeld, zou het eten van yoghurt het op de tanden afzetten, waar het het beschermende peptide zou produceren. Dit zou waarschijnlijk effectiever zijn dan een antibacterieel middel dat alles doodt, zegt Chia-Yung Wu, een afgestudeerde biologiestudent aan het MIT die het team adviseert. Het richt zich alleen op de schadelijke dingen. (Een veelvoorkomend probleem met antibiotica is dat ze zowel schadelijke als nuttige bacteriën in de mond en darmen doden, waardoor er een open landschap ontstaat voor slechte bacteriën om te koloniseren.)
Een centraal project in de synthetische biologie is de poging om een enorme, publiek toegankelijke onderdelenlijst, een catalogus van gensequenties en de functies van de resulterende eiwitten te maken. Het MIT-team is niet van plan om een product voor commercieel gebruik te ontwikkelen, maar de biologische onderdelen die het creëert, kunnen ooit in andere toepassingen worden gebruikt, bijvoorbeeld door de voedingswaarde van yoghurt te verbeteren met bacteriën die een specifiek type vitamine produceren. . Het team, dat onder meer bestaat uit studenten Sara Mouradian en Derek Ju, heeft de onderdelen die het heeft gemaakt al gedeponeerd in een centrale opslagplaats bij MIT genaamd de Register van standaard biologische onderdelen . Het uitbreiden van het register is een van de belangrijkste aspecten van de competitie. Dit jaar hebben we 2.000 DNA-onderdelen naar elk team gestuurd en we krijgen 1.500 nieuwe onderdelen terug, zegt Randy Rettberg , iGEM-directeur en hoofdonderzoeker bij MIT.
De Caltech-team gericht op microben in de darm, gericht op het creëren van een microbiële oplossing voor lactose-intolerantie. In plaats van een dagelijkse vitamine te nemen, zou je wat darmmicroben kunnen drinken en een week of maand of hoe lang de microben ook duren, klaar zijn, zegt Josh Michener, een afgestudeerde Caltech-student die het team adviseert.
Mensen die zuivel kunnen verdragen, scheiden van nature lactase af, een enzym dat lactose afbreekt, een suiker in melk. De afbraakproducten, waaronder glucose, worden vervolgens vanuit de dunne darm in het bloed opgenomen. Bij mensen die lactose-intolerant zijn, wordt de suiker doorgegeven aan de dikke darm, waar het uiteindelijk wordt gemetaboliseerd door een keten van bacteriën. Tijdens het proces produceren de microben waterstof en methaangas, de boosdoeners achter de lastige symptomen - misselijkheid, opgeblazen gevoel, gas en diarree - van de aandoening.
Lactasepillen zijn beschikbaar om mensen te helpen melkproducten te verteren, maar de Caltech-studenten wilden een meer permanente oplossing. Ze begonnen met een soort van E coli vaak gebruikt als probioticum in Duitsland. De soort, Nissle 1917 genaamd, werd oorspronkelijk gewonnen uit soldaten in de Eerste Wereldoorlog die immuun waren voor een extreem maag-darmvirus dat door een legerkamp raasde, zegt Michener.
De studenten voegden drie biologische onderdelen toe aan de Nissle-bacterie: een gen dat het lactase-enzym produceert, een receptor die lactose herkent en een sensor die ervoor zorgt dat de cel bij een bepaalde concentratie lactose openbreekt. Met dit systeem zouden bacteriën in de darm constant lactase produceren. Wanneer de receptoren op het buitenoppervlak van een bacterie een voldoende hoeveelheid lactose binden, zouden ze de celexplosie veroorzaken, waardoor lactase in de darm vrijkomt om de suiker af te breken. De studenten hebben tot nu toe de eerste twee componenten gemaakt, maar hebben moeite om de microben zo te ontwerpen dat ze zichzelf op de juiste manier vernietigen. Het team werkt ook aan een eetbare microbe die foliumzuur zou produceren, een vitamine die belangrijk is voor het voorkomen van geboorteafwijkingen.
Beide teams presenteerden dit weekend hun onderzoek op de iGEM-competitie aan het MIT, samen met meer dan 70 andere teams van universiteiten over de hele wereld. In de afgelopen jaren hebben studenten alles gemaakt, van bacteriële fotografische film tot bananengeurende bacteriën en kleine doosjes gemaakt van DNA.