Wissenschaftler entwickeln lebende DNA-Sensoren

Die frühzeitige Erkennung von Infektionskrankheiten kann der Schlüssel zu einer erfolgreichen Behandlung sein, doch oft wissen wir erst, dass wir infiziert sind, wenn Symptome auftreten. Was wäre, wenn unser Körper das Vorhandensein eines infektiösen Krankheitserregers erkennen könnte, bevor die Krankheit ausbricht?

Ingenieure der synthetischen Biologie finden Wege, genau das zu erreichen.

Unter synthetischer Biologie versteht man den Entwurf und die Konstruktion neuer biologischer Teile und Systeme sowie die Neugestaltung bestehender und natürlicher biologischer Systeme für bestimmte Zwecke.

Mit Blick auf die frühzeitige Erkennung von Krankheiten haben Ingenieure der synthetischen Biologie an der University of Wisconsin Bakterien entwickelt und konstruiert, die von infektiösen Krankheitserregern abgegebene DNA-Fragmente finden und erkennen. Da die DNA eines Krankheitserregers in einem Individuum identifiziert werden konnte, bevor Symptome auftraten, verspricht das System eine extrem frühe Erkennung tödlicher Krankheiten wie Sepsis, bei denen eine schnelle Erkennung für eine erfolgreiche Behandlung entscheidend ist.

Die Studie ist veröffentlicht in Naturkommunikation, und die Arbeit wurde im Labor von Ophelia Venturelli, Ph.D., Assistenzprofessorin für Biochemie, Bakteriologie sowie Chemie- und Biotechnik, durchgeführt. Das Labor ist auf die Entwicklung mikrobieller Kontrollsysteme zur Lösung von Problemen in Medizin, Landwirtschaft und Umwelt spezialisiert. Ein Hauptforschungsbereich ist die Frage, wie sich das menschliche Mikrobiom auf Gesundheit und Krankheit auswirkt und wie es zur Behandlung einer Vielzahl von Erkrankungen verändert werden kann. Die Arbeit wurde gemeinsam von der Postdoktorandin Yu-Yu Cheng und der Doktorandin Zhengi Chen geleitet.

Um ihren bakteriellen DNA-Sensor zu entwickeln, nutzte das Team von Venturelli die natürliche Fähigkeit des häufig vorkommenden Bakteriums Bacillus subtilis (B. subtilis), DNA aus seiner Umgebung einzufangen.

Eine Reihe von Genen wurde in das Genom von B. subtilis integriert. Dieses „genetische Programm“ umfasst eine Region mit einer spezifischen DNA-Sequenz, die zum Zielorganismus passt. Die Forscher nennen diese Region eine „Kassette“, da sie so konzipiert ist, dass sie leicht verändert – also ein- und ausgeblendet – werden kann, indem DNA-Sequenzen der verschiedenen zu identifizierenden Organismen eingefügt werden.

Die Kassettenregion ist Teil eines genetischen Programms, das aktiviert wird, wenn B. subtilis die Zielsequenz findet und in die Zelle bringt. Bei der Aktivierung leitet das Programm eine Kaskade von Ereignissen ein, die in einem Fluoreszenzsignal gipfeln, das anzeigt, dass der Bakteriensensor den Zielorganismus erkannt hat.

In einem der ersten Experimente fügte das Team ein Stück DNA des Bakteriums E. coli in den Kassettenbereich ein und testete die Fähigkeit der Sensorbakterien, in die Lösung eingemischte E. coli-DNA zu erkennen. Als die E. coli-DNA in die Zelle gebracht wurde, traf sie auf ihre identische E. coli-„Kassetten“-DNA.

Spezialisierte Bakterienproteine ​​tauschten dann die beiden Sequenzen aus, wodurch das genetische Programm aktiviert wurde. Das genetische Programm steuert die Produktion von grün fluoreszierendem Protein (GFP), das ein starkes Fluoreszenzsignal erzeugt, das anzeigt, dass E. coli-DNA in der Probe vorhanden war.

Nachdem das Team aus Wisconsin gezeigt hatte, dass sein DNA-Sensor die DNA von E. coli erkennen konnte, testete es anschließend die Fähigkeit des Systems, menschliche Krankheitserreger zu identifizieren. Nachfolgende Experimente zeigten, dass der B. subtilis-DNA-Sensor so programmiert werden konnte, dass er eine Reihe menschlicher bakterieller Krankheitserreger erfolgreich erkennt. Der menschliche Darmpathogen Salmonella typhimurium (S. typhimurium) und der menschliche Haut- und Atemwegspathogen Staphylococcus aureus (S. aureus) wurden vom B. subtilis-DNA-Sensor erfolgreich nachgewiesen.

„Die Fähigkeit solcher Sensoren, menschliche Krankheitserreger zu erkennen, eröffnet die Möglichkeit für eine Reihe innovativer diagnostischer und therapeutischer Ansätze“, erklärte Jermont Chen, Ph.D., Programmdirektor am National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering.

„Zum Beispiel könnte das System zur schnellen Diagnose und Behandlung von Infektionskrankheiten mit spezifischen Antibiotika anstelle von Breitbandantibiotika eingesetzt werden. Dies wäre besonders wertvoll für Hochrisikoinfektionen wie Sepsis, bei denen das Warten auf Ergebnisse von Bakterienkulturen die Wahrscheinlichkeit schnell verringert.“ einer erfolgreichen Behandlung.“

Das Labor interessiert sich insbesondere für das Mikrobiom – die Millionen von Bakterien, die im menschlichen Darm und im ganzen Körper leben und bei Gesundheit und Krankheit mit menschlichen Zellen interagieren.

Venturelli erläuterte den möglichen Einsatz des Sensors im menschlichen Mikrobiom. „Diese Arbeit eröffnet die Möglichkeit, Sensoren zu entwickeln, die harmlos im Ökosystem des menschlichen Körpers leben und als Wächter für Krankheiten fungieren. Das Auftreten von DNA von schädlichen Bakterien, die im Darm wachsen, könnte beispielsweise durch den B. subtilis-Sensor erkannt werden.“ Dort wird ein frühes Signal für eine sich entwickelnde Krankheit gesendet, was eine frühzeitige Behandlung ermöglicht.“

Nach der erfolgreichen Entwicklung des DNA-Sensors konzentriert sich das Team nun auf die Verbesserungen, die erforderlich sind, um die Technologie in die praktische Anwendung zu bringen. Dazu gehört die Steigerung der Effizienz der DNA-Aufnahme von B. subtilis in seiner Umgebung sowie die Steigerung der Effizienz beim Nachweis von Pathogen-DNA in niedrigen Konzentrationen. Zu den längerfristigen Zielen gehört die Entwicklung komplexerer genetischer Programme, die es den sensorischen Bakterien ermöglichen, einen Krankheitserreger zu identifizieren und gleichzeitig die therapeutischen Proteine ​​herzustellen, die zur sofortigen Bekämpfung einer Infektion erforderlich sind.