Células centinela bacterianas diseñadas para registrar e informar sobre la salud intestinal

Utilizando un sofisticado método de grabación transcripcional llamado Record-seq en un estudio realizado en ratones, los científicos han diseñado E. coli células centinela para que puedan generar un registro histórico de los cambios en su expresión génica a medida que viajan a través del intestino, mediante la integración de fragmentos de ADN en secuencias espaciadoras de matrices CRISPR diseñadas en sus genomas. Estas matrices se pueden analizar bioinformáticamente para descubrir detalles fisiológicos del tracto intestinal y las diversas comunidades microbianas que lo colonizan.

“El intestino y su microbioma son fundamentales para la salud. Hay escasez de opciones para investigar la fisiología del huésped y del microbio en el intestino humano, lo que convierte al intestino humano en una caja negra. Las mediciones de heces y sangre son indirectas. La endoscopia requiere ayuno y purga”, dijo Randall Platt, PhD, autor principal del estudio y profesor de ingeniería biológica en ETH Zurich. “Desarrollamos células centinela de registro transcripcional con la idea de que pudieran atravesar con seguridad el tracto gastrointestinal y revelar características críticas de salud y enfermedad dentro del intestino de forma no invasiva”.

El estudio fue publicado en la revista Cienciaen un artículo titulado, “Evaluación no invasiva de la función intestinal utilizando células centinela de registro transcripcional”. Abre nuevas vías para el desarrollo de sensores microbianos de diagnóstico no invasivos que podrían descubrir síntomas tempranos de enfermedades intestinales o evaluar el efecto de la dieta o las terapias en la salud.

(De izquierda a derecha) Randall Platt, Andrew Macpherson, Tanmay Tanna, Jakob Zimmermann y Florian Schmidt son los autores de este estudio.

El mecanismo CRISPR-Cas, un tipo de memoria inmune bacteriana, permite que las bacterias incorporen fragmentos de ARN o ADN de los virus atacantes en una región de su genoma llamada matriz CRISPR, lo que les permite recordar virus pasados ​​para evitar futuros ataques de manera expedita.

Los investigadores del estudio actual explotaron el mecanismo CRISPR-Cas para permitir E. coli para incorporar fragmentos de su propio ARNm. Aquí, los ARNm bacterianos sirven como planos que revelan qué genes se están desplegando para ejecutar funciones celulares a medida que la bacteria atraviesa la longitud del tracto intestinal.

Los científicos introdujeron la matriz CRISPR de las especies bacterianas. Fusicatenibacter saccharivorans en una E. coli tensión muscular. Esto incluía una transcriptasa inversa, una enzima que transcribe el ARN en ADN, junto con las proteínas asociadas a CRISPR necesarias para incorporar el fragmento de ADN en la matriz CRISPR. El método molecular básico utilizado en este estudio fue desarrollado en un trabajo anterior por el equipo de Platt publicado en 2018 y 2020.

“En el trabajo actual, desarrollamos y ampliamos aún más el método para permitir aplicaciones en diferentes tipos de modelos de ratones, incluidos ratones gnotobióticos libres de gérmenes y ratones que albergan una microbiota modelo. Cada modelo de ratón requiere un protocolo diferente en términos de cuánta bacteria alimentamos, cómo extraemos la información registrada de las heces y cómo procesamos los datos”, explicó Platt.

Los equipos colaboradores dirigidos por Andrew Macpherson, PhD, profesor de gastroenterología en el Hospital Universitario de Berna, administraron el centinela E. coli en ratones y analizó el ADN bacteriano en muestras fecales para determinar con qué frecuencia las bacterias intestinales fabricaban una determinada molécula de ARNm durante su paso por el intestino y qué genes se activaban.

“Este nuevo método nos permite obtener información directamente del intestino, sin tener que alterar las funciones intestinales”, dijo Macpherson.

Platt dijo: “Las células centinela de registro transcripcional abren caminos en la investigación básica y la medicina. Ahora tenemos una herramienta que puede revelar la fisiología microbiana y del huésped dentro del intestino intacto y sin perturbaciones”.

Harris Wang, PhD, profesor asociado de biología de sistemas, patología y biología celular en la Universidad de Columbia, dijo: “El estudio es un maravilloso ejemplo del poder de la grabación temporal para detectar y capturar entornos y respuestas celulares utilizando maquinaria molecular CRISPR de última generación. . Los autores mostraron una impresionante variedad de usos para el registro biológico dentro del intestino de un animal. Espero que haya muchas aplicaciones emergentes a medida que la tecnología se refina aún más en términos de sensibilidad, resolución temporal y resiliencia en entornos abiertos”.

A través del análisis de bacterias aisladas de muestras fecales de ratones con diferentes dietas, los investigadores mostraron cómo las bacterias centinelas adaptaban su metabolismo al suministro de nutrientes.

“Este trabajo es realmente emocionante y un gran avance en el campo. La captura de eventos transcripcionales que no son realizados por RNAseq tradicional de una manera no invasiva es sobresaliente”, dijo Joseph Bondy-Denomy, PhD, profesor asociado de microbiología e inmunología en la Universidad de California, San Francisco. “Extender esta tecnología a noE. coli microbios es un próximo paso emocionante que el campo ahora puede comenzar a abordar. Específicamente estoy interesado en entender en qué consisten estos datos. E. coli puede informarnos sobre los factores que dictan el éxito o el fracaso de la infección por fagos in vivo”.

“Este trabajo amplía muy bien Record-seq para evaluar el estado fisiológico del tracto digestivo. Los autores proporcionan una serie de demostraciones importantes, incluida la detección del contenido de nutrientes, la inflamación y las interacciones microbianas. Estos ejemplos resaltan muy bien cómo Record-seq se puede aplicar de manera única, en comparación con las tecnologías de biodetección basadas en células existentes al proporcionar firmas de expresión de todo el genoma, y ​​ofrece oportunidades en lugar de procedimientos médicos altamente invasivos”, dijo Chase Beisel, PhD, profesor. de medicina en la Universidad Julius Maximilian de Würzburg, Alemania, y director del Instituto para la Investigación de Infecciones basada en ARN.

Beisel agregó: “Las limitaciones de la tecnología son que Record-req permanece limitado a E. colique puede no ser la mejor opción cuando se piensa en aplicar este enfoque en humanos. E. coli también puede no estar mejor equipado para detectar condiciones particulares o habitar efectivamente diferentes partes del tracto digestivo. Descifrar la firma también es complicado, y el tiempo dirá qué tan bien se puede decodificar la firma para proporcionar un diagnóstico preciso. En su mayoría, representan los próximos pasos en el desarrollo de la tecnología”.

Wang, Bondy-Denomy y Beisel no participaron en el estudio actual y brindaron sus opiniones independientes.

Habiendo demostrado que el sistema funciona en ratones, en un trabajo futuro, Platt y su equipo pretenden trasladar la tecnología a los humanos. Para lograr esto, el equipo de Platt está realizando experimentos para garantizar que las bacterias modificadas sean seguras para los humanos y no sobrevivan en un entorno abierto.

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