Amerikaanse biotechnologen hebben een standaard darmbacterie uitgerust met een ‘geheugen’. De bacterie zwemt door de darm en onthoudt ongeveer een week lang wat hij daar gezien heeft. De onderzoekers hopen dit systeem in de toekomst te gebruiken voor een vroege diagnose van darmziekten zoals darmkanker of de ziekte van Crohn.
Pamela Silver en haar collega’s van de Harvard Medical School bouwden een genetische schakelaar in bij de E. coli bacterie, een bacterie die van nature voorkomt in onze darmen. Die schakelaar gaat alleen om als de bacterie in de darm een bepaald signaal detecteert. In dit geval reageerde de schakelaar op de aanwezigheid van het antibiotica tetracycline.
Silver liet de E. coli bacterie eerst los in petrischaaltjes met een oplossing met of zonder tetracycline. Ze zag dat het systeem goed werkte. In een oplossing zonder tetracycline ging de schakelaar in de bacterie niet om. Maar in een oplossing met het antibioticum ging de schakelaar haast zonder uitzondering wel om.
In de darmen
De aangepaste E. coli bacterie is dus in staat om tetracycline te detecteren. Bovendien onthoudt de bacterie wat hij gezien heeft. Is de schakelaar eenmaal omgegaan, dan blijft dit ongeveer een week zichtbaar. Zelfs als de bacterie groeit en zichzelf gaat delen. Dit ‘geheugen’ maakt de bacterie geschikt voor de diagnose van ziekten. Het geeft artsen de tijd om een poepmonster te nemen, hier de aangepaste E. coli bacterie uit te isoleren en vervolgens te kijken of de schakelaar aan of uit staat.
Virale schakelaar
De genetische schakelaar die Silver gebruikt, is afkomstig van de lambda faag; een klein virus dat bacteriën infecteert. Direct na zo’n infectie hangt het DNA van de faag rond in de bacterie, maar er gebeurt verder niks. Pas als het DNA van de bacterie beschadigd raakt, komt de faag plotseling in actie. De schakelaar gaat om, waardoor het virus deelt en door de membraan van de bacterie heen breekt. In de natuurlijke situatie betekent dat de dood voor de bacterie. Maar omdat Silver alleen de genen van de faag gebruikt en niet het totale virus inbrengt, blijft de bacterie na het omgaan van de schakelaar gewoon leven.
Deze faag is bezig met het infecteren van een bacterie.
Jonathan Heras Equinox Graphics Ltd.Helaas is het niet zo eenvoudig om de aangepaste bacterie in de darmen te krijgen. In onze darmen wemelt het van de bacteriën die met elkaar concurreren voor ruimte en voedingsstoffen. De aangepaste E. coli moet de reis door de darm overleven en dus zien te winnen van andere darmbacteriën. Om te kijken of dat lukt, bracht Silver de bacterie in bij muizen.
Competitie
In de muizendarm verdwijnt de aangepaste bacterie vrij snel. Een tegenvaller, maar Silver gaf het niet zo snel op. De E. coli bacterie die zij gebruikte, woont al sinds de jaren veertig in het laboratorium en is dus niet meer gewend aan competitie met andere bacteriën. Zij isoleerde een E. coli bacterie uit de darm van de muizen, rustte deze uit met de schakelaar en bracht hem opnieuw in.
Dit keer slaagde het experiment wel. De aangepaste, muiseigen E. coli bacterie overleeft de reis door de darm en vormt uiteindelijk een stabiele populatie. Silver liet de bacterie los op muizen die wel of niet waren behandeld met tetracycline en zag hetzelfde gebeuren als in de petrischaaltjes. Alleen in aanwezigheid van het antibioticum ging de schakelaar in de bacterie om.
Het systeem van Pamela Silver en haar collega’s. Linksboven wordt de aangepaste E.coli bacterie (lichtgeel gekleurd) ingebracht bij een muis. In de darm (onder) komt de bacterie het antibioticum tetracycline (gele zeshoeken) tegen. In reactie daarop gaat de schakelaar om. De bacterie is nu blauw gekleurd. Op het moment dat de bacterie weer uit de muis gehaald wordt (rechtsboven) ziet die er anders uit dan op het moment dat hij naar binnen ging. Zo krijgen de onderzoekers informatie over de omstandigheden in de darm.
Jonathan Kotula, Harvard Medical School and Harvard's Wyss InstituteBacterie trainen
Silver en haar team hebben hiermee voor het eerst laten zien dat het mogelijk is om levende bacteriën in te zetten voor het monitoren van de darm. Dat kan van pas komen bij de diagnose van ziekten. Maar zover is het nog niet. Om ziekten op te kunnen sporen, moet de bacterie namelijk reageren op andere chemische signalen dan de aanwezigheid van tetracycline. De onderzoekers zijn nu hard bezig de bacterie te trainen op het herkennen van signalen voor bijvoorbeeld darmkanker of de ziekte van Crohn.