Succesvol bewerkte genen van darmbacteriën bij levende muizen

Een onderzoeksteam onder leiding van synthetisch bioloog Xavier Duportet, medeoprichter van het biotechnologiebedrijf Eligo Bioscience, heeft met succes een genbewerkingsinstrument ontworpen dat de bacteriepopulatie in de darmflora van levende muizen kan modificeren.

Uit eerste experimentele resultaten bleek dat het hulpmiddel hielp bij het wijzigen van het doelgen in meer dan 90% van de Escherichia coli-kolonies in de darmen van levende muizen. Escherichia coli is een bacteriesoort die van nature in de darmen van mensen en dieren leeft. De meeste stammen van E. coli staan ​​erom bekend dat ze voorbijgaande, milde diarree veroorzaken, of enkele ernstige darminfecties die leiden tot ernstigere ziekte met diarree, buikpijn en koorts.

In diverse eerdere onderzoeken is gebruikgemaakt van het CRISPR-Cas-genbewerkingssysteem om schadelijke bacteriën in de darmen van muizen te doden. Duportet en collega's wilden echter de genen van bacteriën in het darmmicrobioom bewerken zonder ze te doden.

Om dit te doen, gebruikten wetenschappers een methode waarbij ze één nucleotidebase verwisselden voor een andere – zoals het omzetten van een A in een G – zonder de dubbele streng van het DNA te verbreken. Tot op heden zijn de meeste bestaande methoden niet in staat de doelbacteriepopulatie voldoende aan te passen om effectief te zijn. Dit komt doordat de vectoren alleen doelreceptoren introduceerden die doorgaans voorkomen in bacteriën die in het laboratorium worden gekweekt.

Om dit obstakel te overwinnen, ontwikkelden Duportet en collega's een afgiftesysteem dat gebruikmaakt van componenten van een bacteriofaag (een type virus dat bacteriën infecteert) om verschillende E. coli-receptoren te vervoeren die in de darmomgeving tot expressie komen. De vector draagt ​​een ‘basisgereedschap voor genbewerking’ met zich mee dat zich richt op specifieke E. coli-genen. Het team verbeterde ook het systeem om te voorkomen dat het aangeleverde genetische materiaal zich repliceert en verspreidt als het eenmaal in de bacteriën zit.

Het team plaatste het basisgereedschap voor genbewerking in muizen en gebruikte het om een ​​A in een G te veranderen in een E. coli-gen dat β-lactamase produceert, een enzym dat bacteriën resistent maakt tegen bepaalde antibiotica. Ongeveer acht uur nadat de dieren waren behandeld, was ongeveer 93% van de doelbacteriën genetisch gemodificeerd.

Vervolgens hebben de onderzoekers de bewerkingstool aangepast, zodat deze het E. coli-gen kon aanpassen dat een eiwit produceert waarvan wordt gedacht dat het een rol speelt bij een aantal neurodegeneratieve en auto-immuunziekten. Het percentage bewerkte bacteriën schommelde rond de 70% binnen drie weken nadat de muizen waren behandeld. In het laboratorium kunnen wetenschappers de tool ook gebruiken om stammen van E. coli en Klebsiella pneumoniae te bewerken die longontstekingen kunnen veroorzaken. Dit suggereert dat het bewerkingssysteem op maat kan worden gemaakt om verschillende bacteriestammen en -soorten te targeten.

Deze prestatie vertegenwoordigt een ‘enorme stap’ in de ontwikkeling van hulpmiddelen waarmee bacteriën rechtstreeks in de darmen kunnen worden gewijzigd. Dit opent de mogelijkheid om ziekten te bestrijden en tegelijkertijd de verspreiding van schadelijk DNA te voorkomen.

De volgende stap voor Duportet en collega's is het ontwikkelen van muismodellen van door het microbioom veroorzaakte ziekten, om te meten of specifieke genbewerkingen gunstige effecten hebben op de gezondheid ervan.