Bakterien mit Aufzeichnungsfunktion erfassen den Gesundheitszustand des Darms

Forscher der ETH Zürich, des Universitätsspitals Bern und der Universität Bern haben Darmbakterien mit Datenlogger-Funktionalität ausgestattet, um zu überwachen, welche Gene in den Bakterien aktiv sind. Diese Mikroorganismen könnten eines Tages ein nicht-invasives Mittel zur Diagnose von Krankheiten oder zur Bewertung der Auswirkungen einer Ernährung auf die Gesundheit bieten.

Der Darm beherbergt unzählige Bakterien, die uns helfen, Nahrung zu verdauen. Doch was genau machen die Mikroorganismen im Körper? Welche Enzyme produzieren sie wann? Und wie verstoffwechseln die Bakterien gesundheitsfördernde Lebensmittel, die uns helfen, Krankheiten zu vermeiden?

Um Antworten auf solche Fragen zu erhalten, haben Forschende des Departements Biosystems Science and Engineering der ETH Zürich in Basel Bakterien so modifiziert, dass sie als Datenlogger für Informationen über die Aktivität von Genen fungieren. Zusammen mit Wissenschaftlern des Universitätsspitals Bern und der Universität Bern haben sie diese Bakterien nun an Mäusen getestet. Dies ist ein wichtiger Schritt, um Sensorbakterien zukünftig in der Medizin einzusetzen, um beispielsweise Mangelernährung zu diagnostizieren und zu verstehen, welche Ernährung für den Einzelnen gut ist.

Immunsystem wird Datenlogger

Die Datenlogger-Funktion wurde in den letzten Jahren von Forschern unter der Leitung von Randall Platt, Professor für Bioingenieurwesen an der ETH Zürich, entwickelt. Dazu nutzten sie den CRISPR-Cas-Mechanismus, eine Art Immunsystem, das in vielen Bakterienarten natürlich vorkommt. Wenn die Bakterien von Viren angegriffen werden, können sie Schnipsel der viralen DNA oder RNA in einen Abschnitt ihres eigenen Genoms namens CRISPR-Array einbauen. Dadurch „erinnern“ sich die Bakterien an Viren, mit denen sie Kontakt hatten, und können einen künftigen Virusbefall schneller abwehren.

Um diesen Mechanismus als Datenlogger zu nutzen, beschäftigten sich die Forscher nicht mit DNA-Schnipseln viraler Eindringlinge, sondern mit etwas anderem: Der Mechanismus lässt sich so ausnutzen, dass die Bakterien Schnipsel ihrer eigenen Boten-RNA (mRNA) einbauen in das CRISPR-Array. mRNA-Moleküle sind der Bauplan, den Zellen zur Herstellung von Proteinen verwenden. Als solche können mRNA-Schnipsel zeigen, welche Gene verwendet werden, um Proteine ​​​​für die Ausführung von Zellfunktionen aufzubauen.

Um die Methode effektiv zu machen, brachten die Wissenschaftler den CRISPR-Array der Bakterienart Fusicatenibacter saccharivorans in einen Stamm des Darmbakteriums Escherichia coli ein, der als sicher für den Menschen gilt und als Probiotikum verfügbar ist. Der Transfer beinhaltete den Bauplan eines Enzyms namens Reverse Transkriptase, das in der Lage ist, RNA in DNA umzuschreiben. Dieses Enzym transkribiert auch die Informationen in der mRNA in DNA-Form, die zusammen mit begleitenden CRISPR-assoziierten Proteinen für den Einbau des DNA-Schnipsels in das CRISPR-Array erforderlich ist.

Informationen erhalten, ohne den Körper zu stören

Als nächstes verabreichten Forscher des Universitätsspitals Bern und der Universität Bern unter der Leitung von Andrew Macpherson diese modifizierten Darmbakterien Mäusen im Labor. Sie sammelten Kotproben von den Tieren und isolierten die bakterielle DNA, die sie dann mittels Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung analysierten. Mit einer anschließenden bioinformatischen Auswertung, die gemeinsam durchgeführt und ausgewertet wurde, konnten sie die Masse an Daten aufarbeiten und die genetische Information der mRNA-Schnipsel rekonstruieren. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler auf nicht-invasive Weise bestimmen, wie oft die Darmbakterien während ihrer Zeit im Körper ein bestimmtes mRNA-Molekül hergestellt haben und somit welche Gene aktiv sind.

„Mit dieser neuen Methode können wir Informationen direkt aus dem Darm gewinnen, ohne die Darmfunktionen stören zu müssen“, sagt Andrew Macpherson, Professor und Direktor für Gastroenterologie am Universitätsspital Bern. Damit hat die Methode große Vorteile gegenüber der Endoskopie, die für den Patienten unangenehm sein kann und immer mit einer Störung der Darmfunktion einhergeht, da der Darm für die Untersuchung entleert werden muss.

Bestimmung des Ernährungsstatus

„Bakterien sind sehr gut darin, Umweltbedingungen zu registrieren und ihren Stoffwechsel an neue Umstände wie etwa Ernährungsumstellungen anzupassen“, sagt Macpherson. In Versuchen mit Mäusen, denen unterschiedliche Nahrung verabreicht wurde, konnten die Forscher zeigen, wie die Bakterien ihren Stoffwechsel an das jeweilige Nährstoffangebot anpassen. Ein Bericht über die Ergebnisse wurde in der neuesten Ausgabe des Journals veröffentlicht Wissenschaft.

Die Forscher möchten die Methode weiterentwickeln, um eines Tages an menschlichen Patienten untersuchen zu können, wie die Ernährung das Ökosystem Darm beeinflusst und wie sich dies auf die Gesundheit auswirkt. In Zukunft hoffen sie, mit der Methode den Ernährungszustand von Kindern oder Erwachsenen zu bestimmen. Anhand dieser Informationen können Ärzte Mangelernährung diagnostizieren oder entscheiden, ob ein Patient Nahrungsergänzungsmittel benötigt.

Außerdem konnten die Forscher Entzündungsreaktionen im Darm erkennen. Die Forscher verabreichten die Sensorbakterien sowohl Mäusen mit Darmentzündung als auch gesunden Mäusen. Auf diese Weise konnten sie das spezifische mRNA-Profil von Darmbakterien identifizieren, die in den Entzündungsmodus wechseln.

Unterschiedliche Bakterien unterscheiden

Die aktuelle Forschung in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft beinhaltet eine wissenschaftliche Entwicklung, die es den Forschern ermöglicht, zwei Bakterienstämme anhand individueller genetischer „Barcodes“ voneinander zu unterscheiden. Dadurch wird es künftig möglich, an Versuchstieren die Funktion von Genmutationen in Bakterien zu untersuchen. Auf diese Weise können Wissenschaftler das mRNA-Profil verschiedener Bakterien vergleichen, z. B. normale Bakterien im Vergleich zu mutierten Bakterien. Dank des molekularen Datenloggers ist es erstmals möglich, dieses Profil zu bestimmen, da sie den Darm nicht erst passieren, wenn die Bakterien den Kot erreichen, sodass die Informationen zeigen, was passiert ist, als die Bakterien noch im Darm lebten Darm.

Ein weiterer denkbarer Weg wäre die Weiterentwicklung des Systems zur Unterscheidung von RNA-Profilen von Bakterien im Dünn- und Dickdarm. Außerdem könnte die Datenlogger-Funktion in andere Bakterienarten eingebaut werden. Dies würde die Tür zu Anwendungen in der Umweltüberwachung öffnen. Eine Analyse von Bodenbakterien aus einem Acker würde beispielsweise Aufschluss darüber geben, ob Herbizide eingesetzt wurden.

Sichere Anwendung möglich

Die Forscher haben die Methode selbst und die charakteristischen RNA-Profile, die Signaturen bestimmter Nährstoffmoleküle und Indikatoren für die Darmgesundheit sind, zum Patent angemeldet.

Bevor die Sensorbakterien außerhalb des Labors – auch bei menschlichen Patienten – eingesetzt werden können, müssen die Wissenschaftler noch diverse Sicherheits- und Rechtsfragen klären, da die Bakterien gentechnisch verändert wurden. „Grundsätzlich gibt es Möglichkeiten, lebende gentechnisch veränderte Mikroorganismen als Diagnostika oder Therapeutika in der Medizin einzusetzen, sofern bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind“, erklärt Platt. Beispielsweise ist es möglich, die Sensorbakterien so zu modifizieren, dass sie bestimmte Nährstoffe benötigen und daher nur im Darm eines Patienten überleben können. Sobald diese speziellen Bakterien den Darm verlassen, sterben sie ab. Die Integration geeigneter Sicherheitsmechanismen ist der nächste Schritt zur Anwendung der Methode in der Medizin.