Die US-Marine Rekrutiert Darmmikroben Zur Bekämpfung Von Fettleibigkeit Und Krankheiten
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Anonim

Das Militär schafft „intelligente“E. coli, um eine Vielzahl von Störungen zu bekämpfen, mit denen Kriegskämpfer konfrontiert sind.

Die US-Marine rekrutiert Darmmikroben zur Bekämpfung von Fettleibigkeit und Krankheiten
Die US-Marine rekrutiert Darmmikroben zur Bekämpfung von Fettleibigkeit und Krankheiten

In seinem Labor an der Rice University schafft der synthetische Biologe Jeff Tabor eine Art lilliputanische Marineakademie. Die Midshipmen sind so klein, dass sie mit bloßem Auge nicht gesehen werden können. Sie sind jedoch Teil einer wichtigen Mission zum Schutz der US-Seestreitkräfte vor inneren Feinden, die von Stoffwechselstörungen bis hin zu Angstzuständen und Depressionen reicht.

2014 erhielt Tabor vom US-amerikanischen Amt für Marineforschung (ONR) ein dreijähriges Stipendium, um eine harmlose Art von Escherichia coli-Bakterien, die normalerweise im menschlichen Darm vorkommt, genetisch zu verändern. Ziel ist es, einen essbaren probiotischen Organismus zu schaffen, der die Entwicklung von Krankheiten verbessern und abwehren kann, noch bevor die Symptome auftreten. Kürzlich ist es ihm gelungen, E. coli mit Sensoren zu konstruieren, die das Vorhandensein von Chemikalien erkennen können, die auf Krankheiten hinweisen - zumindest im Darm der Maus.

Sein letztendliches Ziel ist es, „ein Präzisionsdarmbakterium zu entwickeln, das die Darmumgebung des Menschen manipuliert, um sie gesund zu halten“, sagt er. Dies beinhaltet die Umverdrahtung der Gene von E. coli, um die Zellen in vorhersehbare und zuverlässige mikrobielle Medikamente umzuwandeln, die mit gentechnisch veränderten genetischen Schaltkreisen beladen sind, die bestimmte chemische Störungen erkennen und eine Batterie von Molekülen abfeuern können, um sie zu neutralisieren. Die Zellen würden nur eine kurze Zeit im Darm leben, vielleicht sechs Stunden oder so, "gerade lang genug, um ihre Arbeit zu erledigen", sagt Tabor. Dann würden sie auf natürliche Weise sterben oder sich selbst zerstören.

Tabors ursprüngliches Ziel: Fettleibigkeit und damit verbundene Stoffwechselprobleme. "Wir wollen eine gentechnisch veränderte E. coli-Zelle verwenden, um die Chemikalien zu erkennen, die auf Darmstörungen im Zusammenhang mit Fettleibigkeit hinweisen", sagt Tabor, "und dann nützliche Moleküle zu liefern, um eine Gewichtszunahme zu verhindern."

Tabors Arbeit stellt die fruchtbare Kollision zweier heißer Felder dar: synthetische Biologie, Konstruktion von Mikroorganismen zur Herstellung nützlicher Produkte; und Mikrobiomik, die Untersuchung der Mikroben, die auf und in Menschen und anderen Tieren leben, die zusammen als Mikrobiom bekannt sind. "In diesem Bereich besteht ein großes Potenzial, da mit dem Darm so viele chronische Krankheiten verbunden sind", sagt Pamela Silver vom Wyss Institute for Biological Inspired Engineering der Harvard University, die 2014 einen Bericht über die erste synthetisch hergestellte Darmmikrobe veröffentlichte.

Die 100 Billionen Bakterienzellen, die sich in unserem Darm befinden, spielen eine wichtige Rolle in nahezu allen Aspekten der Verdauung von Nahrungsmitteln durch die menschliche Biologie. Sie steuern das Immunsystem und diktieren sogar die psychische Gesundheit, indem sie Signale an das Gehirn senden, die Stimmung, Kognition und Verhalten beeinflussen. Es ist daher nicht verwunderlich, dass eine Störung dieser Darmmikrobengemeinschaften zu Krankheiten führen kann, einschließlich Fettleibigkeit und damit verbundenen Problemen.

Tabors Projekt ist Teil eines größeren Programms zum Mikrobiom, das vom ONR finanziert wird, um den US-Seestreitkräften zu helfen, angesichts von Stressfaktoren, Veränderungen in Ernährung oder Umwelt, ängstlichen Situationen, Schlafverlust oder gestörten zirkadianen Rhythmen aufgrund von Zeitzonenverschiebungen oder Leben robuster zu sein in einem U-Boot. "Wir sind daran interessiert, wie Darmmikrobiota auf diese Belastungen reagieren", sagt Linda Chrisey, Programmverantwortliche in der Abteilung Warfighter Protection and Application des ONR. "Tragen sie zur Antwort des Gastgebers bei? Wenn ja, können wir die Mikrobiota optimieren, um den Wirt vor Stress zu schützen? “.

Tabor hat sich entschieden, sich auf Fettleibigkeit zu konzentrieren, "weil wir auf molekularer Ebene bereits viel darüber wissen", sagt er, "also ist es ein gutes Modell, um das Konzept zu testen." Unsere Mikrobiota wirken wie eine Art Stoffwechselorgan, das die Kalorien- und Nährstoffaufnahme beeinflusst, den Energiehaushalt steuert und das Körpergewicht kontrolliert. (Wissenschaftler sind sich nicht sicher, welche Form die mikrobiomische Zusammensetzung beeinflusst. Zunehmende Evidenz deutet darauf hin, dass sie vor der Geburt bestimmt wird und mit Genetik, Ernährung der Mutter und Art der Entbindung zu tun hat.) Es ist klar, dass einige Bakterien Moleküle bilden, die das innere Gleichgewicht stören und Fettleibigkeit verursachen andere Störungen. Studien haben gezeigt, dass die Darmbakterien gesunder Menschen Verbindungen produzieren, die die Darmwand stärken, aber die von übergewichtigen Menschen Verbindungen herstellen, die die Wand schwächen. Dadurch können Bakterienmoleküle in den Blutkreislauf gelangen, wo sie nicht hingehören, und eine Immunantwort auslösen. Die daraus resultierende chronische Entzündung korreliert mit einer Liste von Krankheiten, von entzündlichen Darmerkrankungen bis hin zu psychischen Störungen wie Angstzuständen und Depressionen.

Es ist noch früh im Spiel, aber Tabor hat bereits mehrere Sensoren isoliert, überarbeitet und in ein einziges E. coli-Bakterium eingebunden. Er hat die modifizierten Zellen an Mäuse verfüttert und gezeigt, dass die Sensoren im Darm der Maus aktiviert wurden, was darauf hindeutet, dass sie die Zielchemikalien erkannt haben.

Tabor plant, dass ein einzelnes E. coli-Bakterium bis zu einem Dutzend Sensoren trägt, damit es mehrere Signale gleichzeitig erfassen kann, um eine genauere Diagnose zu erhalten. Letztendlich plant er, diese Zellen so zu konstruieren, dass sie Medikamente produzieren, wann und wo sie als hoch zielgerichtete Antibiotika bezeichnet werden, die an die bakteriellen Chemikalien binden und diese deaktivieren sollen, die andernfalls aus dem Darm in das Blut gelangen könnten, um so die Veränderungen zu verhindern, die dazu führen Fettleibigkeit, Entzündungen und damit verbundene Krankheiten. Die Abgabe dieser Medikamente an das genaue Gewebe im Körper, wo sie benötigt werden, und nirgendwo sonst würde sowohl die Nebenwirkungen verringern als auch die Wirksamkeit erhöhen.

"Dies sind jedoch gentechnisch veränderte Organismen, daher wird es eine lange Debatte darüber geben", sagt Silver. "Wir müssen die Risiken gegen die potenziellen Vorteile abwägen. Wir arbeiten jedoch daran, Wege zu entwickeln, um diese Organismen von Natur aus sicher zu machen. Und ich denke, die Sorge um Risiken wird durch die Vorteile neutralisiert, insbesondere für Menschen, die an chronischen Erkrankungen leiden Erkrankung.".

Bisher hat Tabor nur Maus-Mikrobiota verändert. Aber er sagt: "Es ist schwer vorstellbar, dass wir nicht viele Krankheiten beim Menschen diagnostizieren und behandeln, möglicherweise heilen, indem wir Darmbakterien auf diese Weise manipulieren - Diabetes, Autoimmunerkrankungen, Krebs, neurologische Störungen" und ja Gewichtsprobleme.

Tatsächlich könnte die Marine kreative Wege finden, um diese synthetischen Probiotika einzusetzen, um nicht nur Fettleibigkeit und die damit verbundenen Probleme zu vermeiden, sondern auch das Körpergewicht und den Stoffwechsel nach Bedarf schnell zu verlagern, schlägt Tabor vor. „Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Team von Marinesoldaten, die in kurzer Zeit von einer gemäßigten Umgebung, beispielsweise auf Meereshöhe, zu einer wirklich kalten Umgebung wie oben auf einem Berg wechseln. Sie möchten, dass sie schnell etwas Fett aufnehmen können, um in der kalten Umgebung robuster zu sein. “

Die Lösung? Eine Dosis Joghurt mit synthetischen Probiotika, die den Stoffwechsel der Warfighter verändern, um das Fett für ein paar Wochen zu erhöhen - und danach eine weitere Dosis, um es abzunehmen, wenn sie wieder auf Meereshöhe zurückkehren.

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