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Essbare Bakterien manipulieren
Probiotika, ein Bereich, der essbare Bakterien zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit verwenden will, könnte bald eine Metamorphose durchlaufen. Studenten am MIT und Caltech verwenden die Techniken der synthetischen Biologie, um Bakterien zu erzeugen, die Hohlräume bekämpfen, Vitamine produzieren und Laktoseintoleranz behandeln, als Teil der Internationale gentechnisch veränderte Maschinen (iGEM)-Wettbewerb am MIT. Die neue Forschung könnte zu einer billigeren Methode zur Herstellung von Medikamenten oder zur Verbesserung der Ernährung in den Entwicklungsländern führen.
Plaque-zerstörende Fehler: Studenten vom MIT entwickeln das Bakterium Lactobacillus bulgaricus (hier in braun dargestellt), in Joghurt enthalten, um Karies vorzubeugen.
Synthetische Biologie ist das Bestreben, neuartige Organismen zu entwerfen und zu bauen, die nützliche Funktionen erfüllen. Viele Forschungen auf diesem Gebiet haben sich auf die Nutzung von Bakterien als Fabrik konzentriert: Einer ihrer frühen Erfolge war die Entwicklung von Mikroben, die Malariamedikamente produzieren. Andere Forschungen haben gezielte Abgabevehikel untersucht, wie zum Beispiel Mikroben, die entwickelt wurden, um Medikamente an einen bestimmten Teil des Körpers zu bringen. Aber die neuen Projekte sind Versuche, die gesundheitlichen Vorteile von essbaren Bakterien zu verbessern.
Diese Projekte nutzen die Tatsache, dass unser Körper bereits von Milliarden von Bakterien besiedelt ist. Wenn man ein Bakterium wirklich auf einen Menschen anwenden möchte, denke darüber nach, wo es in einem Menschen natürlicherweise vorkommt und überlebt, während du immer noch versuchst, neue Funktionen zu entwickeln, sagt Christina Smolke, synthetische Biologin am Caltech, die das Team der Universität berät.
Unser Mund zum Beispiel ist ein Zufluchtsort für Bakterien, sowohl gute als auch schlechte. Bakterien, die im Zahnbelag leben, genannt Streptococcus mutans , ernähren sich von Zucker über unsere Zähne und scheiden dann Säuren aus, die den Zahnschmelz abtragen und Karies verursachen. Um höhlenbekämpfende Mikroben zu erzeugen, MIT team begann mit einem Peptid – einem kurzen Proteinsegment –, von dem zuvor gezeigt wurde, dass es verhindert, dass die schlechten Bakterien an den Zähnen kleben. Das Team baute ein Stück DNA, das sowohl das Gen enthält, das das Peptid herstellt, als auch ein Gen für ein molekulares Signal, das das Bakterium zur Ausscheidung veranlasst.
Der nächste Schritt besteht darin, dieses DNA-Stück in Lactobacillus bulgaricus , eine in Joghurt übliche Mikrobe. Das haben die Studenten noch nicht getan, aber sie haben erfolgreich fremde DNA in die Mikrobe eingebracht, die die Mikrobe für die weitere Gentechnik vorbereitet. Das allein ist schon eine beeindruckende Leistung Lactobacillus bulgaricus wird im Labor nicht häufig verwendet und erfordert daher die Entwicklung neuer experimenteller Techniken.
Wenn die Mikrobe erfolgreich manipuliert werden kann, würde das Essen von Joghurt sie auf den Zähnen ablagern, wo sie das schützende Peptid produzieren würde. Dies wäre wahrscheinlich effektiver als ein antibakterielles Mittel, das alles abtötet, sagt Chia-Yung Wu, ein Biologie-Doktorand am MIT, der das Team berät. Es zielt nur auf das schädliche Zeug. (Ein häufiges Problem bei Antibiotika ist, dass sie sowohl schädliche als auch hilfreiche Bakterien in Mund und Darm abtöten und eine offene Landschaft für die Ansiedlung von schlechten Bakterien hinterlassen.)
Ein zentrales Projekt der Synthetischen Biologie ist der Versuch, eine riesige, öffentlich zugängliche Stückliste, einen Katalog von Gensequenzen und den Funktionen der resultierenden Proteine zu erstellen. Das MIT-Team beabsichtigt nicht, ein Produkt für den kommerziellen Gebrauch zu entwickeln, aber die biologischen Bestandteile, die daraus entstehen, könnten eines Tages für andere Anwendungen verwendet werden – beispielsweise zur Steigerung des Nährwerts von Joghurt durch Bakterien, die eine bestimmte Art von Vitamin produzieren . Das Team, zu dem die Studenten Sara Mouradian und Derek Ju gehören, hat die von ihm erstellten Teile bereits in einem zentralen Repository am MIT namens the . hinterlegt Register der biologischen Standardteile . Der Ausbau des Registers ist einer der wichtigsten Aspekte des Wettbewerbs. Dieses Jahr haben wir 2.000 DNA-Teile an jedes Team verschickt und wir bekommen 1.500 neue Teile zurück, sagt Randy Rettberg , iGEM-Direktor und leitender Forscher am MIT.
Der Caltech-Team konzentriert sich auf Mikroben im Darm, mit dem Ziel, eine mikrobielle Lösung für Laktoseintoleranz zu schaffen. Anstatt täglich ein Vitamin zu sich zu nehmen, könnten Sie einige Darmmikroben trinken und auf eine Woche oder einen Monat eingestellt sein oder wie lange die Mikroben dauern, sagt Josh Michener, ein Caltech-Absolvent, der das Team berät.
Menschen, die Milchprodukte vertragen, sezernieren auf natürliche Weise Laktase, ein Enzym, das Laktose abbaut, einen Zucker in Milch. Die Abbauprodukte, zu denen Glukose gehört, werden dann aus dem Dünndarm ins Blut aufgenommen. Bei Menschen mit Laktoseintoleranz gelangt der Zucker in den Dickdarm, wo er schließlich von einer Bakterienkette verstoffwechselt wird. Dabei produzieren die Mikroben Wasserstoff und Methangas, die Schuldigen hinter den lästigen Symptomen – Übelkeit, Blähungen, Blähungen und Durchfall – der Erkrankung.
Laktasetabletten sind erhältlich, um den Menschen bei der Verdauung von Milchprodukten zu helfen, aber die Caltech-Studenten wollten eine dauerhaftere Lösung. Sie begannen mit einer Belastung von E coli in Deutschland häufig als Probiotikum verwendet. Der Stamm namens Nissle 1917 wurde ursprünglich von Soldaten im Ersten Weltkrieg gewonnen, die gegen ein extremes Magen-Darm-Virus immun waren, das durch ein Armeelager fegte, sagt Michener.
Die Studenten fügten dem Nissle-Bakterium drei biologische Teile hinzu: ein Gen, das das Enzym Laktase produziert, einen Rezeptor, der Laktose erkennt, und einen Sensor, der die Zelle bei einer bestimmten Laktosekonzentration aufbrechen lässt. Bei diesem System würden Bakterien im Darm ständig Laktase produzieren. Wenn sich die Rezeptoren auf der äußeren Oberfläche eines Bakteriums an eine ausreichende Menge Laktose binden, lösen sie die Explosion der Zelle aus und setzen Laktase in den Darm frei, um den Zucker abzubauen. Die Studenten haben bisher die ersten beiden Komponenten erstellt, haben jedoch Schwierigkeiten, die Mikroben so zu gestalten, dass sie sich in der richtigen Weise selbst zerstören. Das Team arbeitet auch an einer essbaren Mikrobe, die Folat produziert, ein Vitamin, das wichtig ist, um Geburtsfehler zu verhindern.
Beide Teams präsentierten am Wochenende ihre Forschung beim iGEM-Wettbewerb am MIT, zusammen mit mehr als 70 weiteren Teams von Universitäten aus aller Welt. In den letzten Jahren haben die Studenten alles geschaffen, von bakteriellen Fotofilmen über nach Bananen duftende Bakterien bis hin zu winzigen Schachteln aus DNA.