211service.com
Engineering ätbara bakterier
Probiotika, ett område som försöker använda ätbara bakterier för att förbättra människors hälsa, kan snart genomgå en metamorfos. Studenter vid MIT och Caltech använder syntetisk biologis tekniker för att skapa bakterier som bekämpar hålrum, producerar vitaminer och behandlar laktosintolerans, som en del av Internationella gentekniska maskiner (iGEM) tävling på MIT. Den nya forskningen kan leda till ett billigare sätt att producera mediciner eller förbättra dieter i utvecklingsländerna.
Placksprängande insekter: Studenter från MIT konstruerar bakterien Lactobacillus bulgaricus (visas här i brunt), som finns i yoghurt, för att förhindra hålrum.
Syntetisk biologi är strävan efter att designa och bygga nya organismer som utför användbara funktioner. Mycket forskning inom området har koncentrerats på att använda bakterier som en fabrik: en av dess tidiga framgångar var utvecklingen av mikrober som producerar malariamedicin. Annan forskning har undersökt riktade tillförselfordon, såsom mikrober konstruerade för att föra medicin till en specifik del av kroppen. Men de nya projekten är försök att förbättra hälsofördelarna med ätbara bakterier.
Dessa projekt drar nytta av det faktum att våra kroppar redan är koloniserade av miljarder bakterier. Om du verkligen vill applicera en bakterie på en person, tänk på var de naturligt finns och överlever i en människa samtidigt som du försöker konstruera nya funktioner, säger Christina Smolke, en syntetisk biolog på Caltech som ger råd till universitetets team.
Våra munnar är till exempel en fristad för bakterier, både bra och dåliga. Bakterier som lever i tandplacket, kallas Streptococcus mutans , matar av socker på våra tänder och utsöndrar sedan syror, som sliter bort tandemaljen och orsakar hål. För att skapa hålighetsbekämpande mikrober MIT team började med en peptid – ett kort proteinsegment – som tidigare har visat sig förhindra att de dåliga bakterierna fastnar på tänderna. Teamet byggde en bit DNA som innehöll både genen som gör peptiden och en gen för en molekylär signal som får bakterien att utsöndra den.
Nästa steg blir att infoga denna bit av DNA i Lactobacillus bulgaricus , en mikrob som är vanlig i yoghurt. Eleverna har inte gjort det ännu, men de har framgångsrikt introducerat främmande DNA i mikroben, vilket förbereder mikroben för vidare genteknik. Det i sig är en imponerande bedrift, givet det Lactobacillus bulgaricus är inte vanligt förekommande i labbet och kräver därför utveckling av nya experimentella tekniker.
Om mikroben kan konstrueras framgångsrikt, skulle äta yoghurt avsätta den på tänderna, där den skulle producera den skyddande peptiden. Det här skulle förmodligen vara mer effektivt än ett antibakteriellt medel som dödar allt, säger Chia-Yung Wu, en doktorand i biologi vid MIT som ger teamet råd. Den riktar sig bara mot de skadliga sakerna. (Ett vanligt problem med antibiotika är att de dödar både skadliga och hjälpsamma bakterier i munnen och tarmen, vilket lämnar ett öppet landskap för dåliga bakterier att kolonisera.)
Ett centralt projekt inom syntetisk biologi är försöket att skapa en enorm, allmänt tillgänglig komponentlista, en katalog över gensekvenser och de resulterande proteinernas funktioner. MIT-teamet har inte för avsikt att utveckla en produkt för kommersiellt bruk, men de biologiska delarna som de skapar kan en dag användas i andra applikationer - för att höja näringsvärdet av yoghurt, till exempel med bakterier som producerar en specifik typ av vitamin . Teamet, som inkluderar studenterna Sara Mouradian och Derek Ju, har redan deponerat delarna som det skapats i ett centralt arkiv vid MIT som heter Register över biologiska standarddelar . Att utöka registret är en av de viktigaste aspekterna av tävlingen. I år skickade vi ut 2 000 DNA-delar till varje team, och vi får tillbaka 1 500 nya delar, säger Randy Rettberg , iGEM-direktör och huvudforskare vid MIT.
De Caltech team fokuserat på mikrober i tarmen, i syfte att skapa en mikrobiell lösning för laktosintolerans. Istället för att ta ett dagligt vitamin kan du dricka några tarmmikrober och vara inställd på en vecka eller månad eller hur länge mikroberna varar, säger Josh Michener, en Caltech-student som ger teamet råd.
Människor som tål mejeri utsöndrar naturligt laktas, ett enzym som bryter ner laktos, ett socker i mjölk. Nedbrytningsprodukterna, som inkluderar glukos, tas sedan upp i blodet från tunntarmen. Hos personer som är laktosintoleranta skickas sockret till tjocktarmen, där det så småningom metaboliseras av en kedja av bakterier. I processen producerar mikroberna väte och metangas, de skyldiga bakom sjukdomens besvärliga symtom – illamående, uppblåsthet, gaser och diarré.
Det finns laktasepiller för att hjälpa människor att smälta mjölkprodukter, men Caltech-studenterna ville ha en mer permanent lösning. De började med en stam av E coli används ofta som probiotika i Tyskland. Stammen, kallad Nissle 1917, extraherades ursprungligen från soldater under första världskriget som var immuna mot ett extremt gastrointestinalt virus som svepte genom ett arméläger, säger Michener.
Eleverna lade till tre biologiska delar till Nissle-bakterien: en gen som producerar laktasenzymet, en receptor som känner igen laktos och en sensor som gör att cellen bryter upp vid en viss koncentration av laktos. Med detta system skulle bakterier i tarmen ständigt producera laktas. När receptorerna på en bakteries yttre yta binder till en tillräcklig mängd laktos, utlöser de en explosion av cellen och släpper ut laktas i tarmen för att bryta ner sockret. Eleverna har hittills skapat de två första komponenterna men har problem med att designa mikroberna för att självförstöra på rätt sätt. Teamet arbetar också på en ätbar mikrob som skulle producera folat, ett vitamin som är viktigt för att förebygga fosterskador.
Båda teamen presenterade sin forskning vid iGEM-tävlingen på MIT i helgen, tillsammans med mer än 70 andra team från universitet runt om i världen. De senaste åren har elever skapat allt från bakteriell fotografisk film till banandoftande bakterier och små lådor gjorda av DNA.