Rekayasa strain bakteri membalikkan interaksi antagonistik – Sains Terkini

Bakteri, seperti halnya manusia, memiliki hubungan yang rumit: mereka dapat bersikap ramah, netral, atau antagonis satu sama lain, dan hubungan itu dapat berubah tergantung pada situasi di mana mereka menemukan diri mereka sendiri.

Karena minat dalam mengidentifikasi spesies bakteri yang ada dalam microbiome manusia yang berkontribusi pada kesehatan dan penyakit telah meledak dalam beberapa tahun terakhir, demikian juga upaya untuk memahami bagaimana berbagai spesies bakteri berinteraksi.

interaksi-antagonistik-bakteri

Pengetahuan ini dapat memungkinkan terciptanya terapi dan alat berbasis bakteri yang dapat digunakan untuk meningkatkan kesehatan manusia, menghasilkan zat-zat berharga, atau memperbaiki ekosistem mikroba.

Namun, mencari hubungan yang terjadi secara bersamaan antara banyak spesies dalam konsorsium bakteri dalam lingkungan yang kompleks seperti usus manusia telah terbukti menjadi tantangan yang sangat besar.

Sekarang, ilmu pengetahuan adalah satu langkah besar lebih dekat ke tujuan itu, berkat upaya tim peneliti dari Institut Wyss untuk Rekayasa Terinspirasi Secara Biologis, Sekolah Kedokteran Harvard (HMS), dan Rumah Sakit Brigham dan Wanita (BWH).

Dalam sebuah makalah baru yang diterbitkan minggu lalu di mSistem, mereka melaporkan bahwa mereka berhasil memanipulasi empat jenis bakteri yang berbeda dalam sebuah konsorsium sehingga interaksi mereka menjadi menguntungkan daripada antagonis dan jumlahnya masing-masing menjadi lebih seimbang di lingkungan dengan kompleksitas yang berbeda-beda, termasuk usus tikus hidup.

“Setiap kali ada banyak spesies yang hidup berdampingan dalam ruang yang sama dan menggunakan sumber daya yang sama, mereka cenderung saling bermusuhan karena mereka berdua berusaha menjadi yang bertahan,” kata penulis pertama Marika Ziesack, Ph.D., Peneliti Pascadoktoral di Wyss Institute dan HMS.

“Dengan mendorong bakteri ke arah interaksi yang lebih saling menguntungkan, kita pada akhirnya dapat membuat seluruh konsorsium spesies lebih kuat dan tangguh, dan semoga suatu hari dapat mengembangkan konsorsium sintetis yang secara optimal disetel untuk berbagai aplikasi dalam kesehatan usus manusia dan bioproduksi.”

Agar bakteri dapat bermain dengan baik satu sama lain, para peneliti memodifikasi genom mereka sehingga masing-masing spesies tidak dapat menghasilkan tiga asam amino yang dibutuhkannya untuk berfungsi dan memproduksi asam amino keempat secara berlebihan.

Oleh karena itu, masing-masing spesies hanya dapat berkembang jika ketiga spesies lainnya ada di masyarakat dan menghasilkan asam amino yang kurang, yang mendorong bakteri untuk mengadopsi pendekatan yang lebih hidup dan membiarkan hidup.

Pemberian makan silang metabolit yang demikian antar spesies adalah umum di alam – manusia tidak dapat menghasilkan sembilan dari 20 asam amino yang kita butuhkan untuk menjaga tubuh kita, jadi kita harus mengkonsumsi makanan yang bervariasi untuk mendapatkan bahan pembangun yang penting itu.

Banyak bakteri juga bergantung pada spesies lain untuk senyawa yang tidak mampu mereka buat, dan ketergantungan bersama seperti itu diperkirakan membantu membuat konsorsium bakteri lebih beragam, yang pada gilirannya membantu mereka melawan dominasi oleh salah satu spesies atau kehilangan anggota penting yang hilang. dapat menyebabkan konsorsium runtuh.

Keempat spesies bakteri yang tim pilih untuk membuat konsorsium buatan mereka semua ditemukan di usus mamalia: E. coli, S. Typhimurium, B. thaiotomomron, dan B. fragilis.

Setiap strain secara genetik dimodifikasi untuk memproduksi berlebih, baik metionin, histidin, triptofan, atau arginin, dan kemampuannya untuk menghasilkan tiga asam amino lainnya tersingkir.

Untuk mengevaluasi apakah masing-masing strain mampu “menyelamatkan” strain lain yang kekurangan asam amino yang diproduksi berlebih, para peneliti secara berurutan mengisolasi senyawa yang dikeluarkan oleh masing-masing strain dan menumbuhkan strain lain di hadapan senyawa tersebut.

Dibandingkan dengan kelompok kontrol di mana senyawa-senyawa dari galur non-overproduksi ditambahkan, masing-masing overproduser mampu menyelamatkan galur-galur lainnya ke berbagai tingkat, tergantung pada seberapa banyak asam amino yang diberikan setiap galur yang diperlukan untuk tumbuh.

Untuk melihat bagaimana keempat strain yang dimodifikasi berinteraksi secara kolektif sebagai konsorsium, para peneliti mengkulturkan mereka semua bersama-sama dan menemukan bahwa mereka tumbuh dalam proporsi yang kira-kira sama tetapi pada jumlah total yang lebih rendah daripada versi yang tidak direkayasa dari strain yang sama yang tumbuh bersama, menunjukkan bahwa semua strain yang kekurangan bisa mendapatkan cukup asam amino dari yang lain untuk bertahan hidup dan bereproduksi.

Tim kemudian mengulangi percobaan ini beberapa kali, setiap kali mengurangi populasi awal satu strain sepuluh kali lipat untuk melihat bagaimana konsorsium akan bereaksi terhadap kehilangan satu anggota.

Mereka menemukan bahwa dalam konsorsium bakteri yang tidak direkayasa, strain yang dirobohkan tidak pulih, sementara dalam konsorsium bakteri yang direkayasa, S. Typhimurium dan B. theta menyesal dengan tingkat normal setelah knockdown. Baik E. coli maupun B. fragilis tidak dapat pulih setelah knockdown, dan hilangnya B. fragilis menyebabkan keseluruhan konsorsium hanya tumbuh setengah dari ukuran normalnya.

Eksperimen knockdown juga mengungkapkan hubungan antara strain yang berbeda dalam konsorsium non-engineered dan engineered.

Dalam konsorsium non-engineered, tidak adanya strain tertentu mengakibatkan pertumbuhan berlebih dari yang lain, menunjukkan bahwa strain tersebut secara alami bersaing satu sama lain.

Namun, dalam konsorsium yang direkayasa, knockdown dari satu spesies tidak secara signifikan mengubah proporsi spesies yang tersisa, dan pada kenyataannya, knockdown dari B. fragilis memiliki dampak negatif pada S. Typhimurium dan E. coli, yang menunjukkan bahwa keberadaan B. fragilis telah menjadi bermanfaat bagi spesies tersebut.

Para peneliti juga menemukan bahwa konsorsium bakteri hasil rekayasa menunjukkan kerataan yang lebih besar – kira-kira jumlah yang sama dari masing-masing spesies – daripada konsorsium yang tidak direkayasa, baik in vitro dan ketika konsorsium diinokulasi ke dalam nyali tikus bebas bakteri.

Tren ini juga hadir ketika bakteri ditanam di lingkungan asam amino rendah, menunjukkan bahwa bakteri yang direkayasa berhasil mampu saling memberi makan asam amino satu sama lain untuk menciptakan komunitas yang stabil.

“Seperti yang diharapkan dalam jaringan spesies yang kompleks, tidak semua strain bakteri berinteraksi satu sama lain secara merata, E. coli dan S. Typhimurium yang direkayasa tampaknya ‘berciuman’ dari spesies Bacteroides tanpa memberikan manfaat yang sama besar untuk kembali anggota lain, sehingga penelitian di masa depan dapat fokus pada mengoptimalkan seberapa banyak masing-masing spesies memproduksi asam amino yang berlebihan dan mengkonsumsi yang lain, untuk meningkatkan kebugaran keseluruhan konsorsium tanpa mengurangi keseragaman spesies,” kata rekan penulis yang sama Pamela Silver, Ph.D. , anggota Inti Pendiri Fakultas Wyss Institute yang juga merupakan Elliot T. dan Onie H. Adams Profesor Biokimia dan Biologi Sistem di HMS.

Arah potensial lainnya untuk penelitian ini termasuk memperkenalkan kaskade interaksi sehingga setiap strain bakteri mengambil senyawa dari strain lain, memodifikasinya, dan “meneruskannya” ke strain lain untuk diproses lebih lanjut, untuk membuat jalur perakitan bioproduksi yang lebih efisien untuk membuat bahan kimia dari kepentingan farmasi atau industri.

“Kami pada akhirnya tertarik untuk merancang secara rasional konsorsium bakteri menguntungkan yang dapat berfungsi di lingkungan yang kompleks, termasuk usus manusia, untuk aplikasi medis.

Memperkenalkan interaksi ‘ramah’ di antara bakteri adalah langkah penting untuk dapat mengendalikan konsorsium ini sehingga mereka tidak menunjukkan perilaku pertumbuhan berlebih atau kehilangan spesies dan dapat menjalankan fungsi yang dimaksudkan, “kata rekan penulis Georg Gerber, MD, Ph.D., yang juga kepala Divisi Patologi Komputasi di Rumah Sakit Brigham and Women’s dan Asisten Profesor di HMS, serta co-direktur Massachusetts Host-Microbiome Center di Brigham.

“Mampu mengubah satu jenis konsorsium bakteri menjadi komunitas stabil lainnya adalah salah satu tantangan utama dalam pengobatan terkait mikrobiome hari ini, dan karya Pam Silver dan kolaborator ini merupakan langkah awal utama menuju pengembangan cara untuk merekayasa pergantian ini dalam cara yang terkontrol,” kata Direktur Pendiri Wyss Institute Donald Ingber, MD, Ph.D., yang juga merupakan Profesor Judah Folkman Biologi Vaskular di HMS dan Program Biologi Vaskular di Rumah Sakit Anak Boston, serta Profesor Bioteknologi di Harvard’s John A. Paulson School of Engineering dan Sains Terapan SEAS.

Penulis tambahan dari makalah ini termasuk Staf Senior Ilmuwan Wyss Institute Jeffrey Way, Ph.D .; mantan anggota Wyss Institute John Oliver, Ph.D., Andrew Shumaker, Ph.D., dan David Riglar, Ph.D.; mantan Rekan Riset HMS, Tobias Giessen, Ph.D.; HMS Postdoctoral Fellow Bryan Hsu, Ph.D .; dan Travis Gibson, Ph.D., Nicholas DiBenedetto, dan Lynn Bry, M.D., Ph.D. dari Pusat Host-Microbiome Massachusetts di Rumah Sakit Brigham & Wanita dan HMS.

Penelitian ini didukung oleh DARPA, Institut Kesehatan Nasional, Pusat Penyakit Pencernaan Harvard, dan Institut Wyss untuk Rekayasa Biologis yang Terinspirasi di Universitas Harvard.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.