Designer mikrober: Hur detta osannolika verktyg kan kämpa bort sällsynta sjukdomar

Ett piller som innehåller miljontals bakterier som är redo att kolonisera din tarm kan vara en mardröm för många. Men det kan bli ett effektivt nytt verktyg för att bekämpa sjukdomar.

I många ärftliga genetiska sjukdomar innebär en muterad gen att en individ inte kan göra en vital substans som är nödvändig för att deras kropp växer, utvecklas eller fungerar. Ibland kan detta fixas med ett syntetiskt substitut - ett piller - som de kan ta dagligen för att ersätta vad deras kropp borde ha gjort naturligt. Människor med en sällsynt genetisk sjukdom som kallas fenylketonuri (PKU) saknar ett enzym som är nödvändigt för att bryta ner proteinet. Utan det byggs giftiga kemikalier i blodet och kan orsaka permanent hjärnskada.

Se även: "Mardrömbakterier": Vad du behöver veta om antibiotikaresistenta bakterier

Lyckligtvis är fixen lätt. Läkare behandlar sjukdomen genom att lägga sina patienter på en super lågprotein diet för resten av livet. Eftersom fixingen var så enkel var PKU den första sjukdomen för vilken nyfödda barn rutinmässigt screenades, började 1961, genom att analysera en bloddroppe som samlats från en prick på barnets häl.

Men föreställ dig hur utmanande det kan vara att mäta allt du äter under hela ditt liv. För att bota PKU utforskar forskare för närvarande nya behandlingsstrategier. En innefattar att använda genredigeringsverktyg för att rätta till genetiska mutationer. Den nuvarande tekniken är dock fortfarande riskabel; det finns en chans att störa andra gener och orsaka skador på patienten.

Vad händer om man kan ersätta det trasiga genet utan att påverka patientens genom? Det är precis vad forskare på Cambridge, Massachusetts-baserade bioteknikföretaget Synlogic har gjort. De bestämde sig för att de snarare än att blanda sig direkt med det mänskliga genomet, skulle introducera de terapeutiska generna direkt i de naturligt förekommande bakterierna som bor i människans tarm. Dessa genetiskt modifierade bakterier producerar sedan de enzymer som PKU-patienter saknade och bryter ner proteinerna i icke-toxiska produkter.

Jag är en postdoktorell forskare vid UCSD som studerar mikroberns samhälle som bor i våra kroppar och hur de påverkar vår hälsa. Nu börjar vi förstå den roll de spelar för att upprätthålla oss friska. Nästa steg är att ta reda på hur vi kan ändra dem för att förbättra vår hälsa. Och Synlogics studie ger den drömmen ett steg närmare.

Ingenjörsbakterier som bor i vår tarm

Du kan bli förvånad att veta att våra tarmar är bebodda av trillioner bakterier som hjälper oss att smälta mat, producera vitaminer för oss och utbilda vårt immunsystem. Denna mikrobesamfund är vår mikrobiom. Tillsammans hamnar de miljontals olika gener i sina genomer, som överstiger våra humana gener 150-1, och vi kan använda dem till vår egen fördel.

Escherichia coli Nissle 1917 är en av de mikrober som lever i de flesta av oss och har använts i stor utsträckning som probiotisk i över ett sekel, vilket bevisar sin säkerhet.

Detta är den bakterie som Synlogic valde att konstruera för att skapa nya terapeutiska "superbakterier" som heter SYNB1618 för PKU-patienter.

Forskarna introducerade tre gener som gör det möjligt för SYNB1618 att omvandla en av byggstenarna av protein, en aminosyra som kallas fenylalanin, till den säkra föreningen, fenylpyruvat. Så länge nivåerna av fenylalanin hålls låga, visar PKU-patienter inga symptom och lever normala liv.

Är GM bakterier säkra?

Motståndare av genetiskt modifierade organismer kan motsätta sig att lägga till designmikrober i våra tarmar. Men precis som de gör med genetiskt modifierade livsmedel finns det strikta FDA-föreskrifter som säkerställer att dessa mikrober är säkra.

I fallet med SYNB1618 raderade forskarna en gen ansvarig för att producera en väsentlig ingrediens för att bygga bakterierna. Om forskarna inte tillhandahåller den saknade ingrediensen för de manipulerade bakterierna, kan de inte replikera och kommer att dö. Det är ett sätt för forskare att kontrollera SYNB1618 i en patients kropp.

När de testade mikroberna i möss upptäckte de att SYNB1618 efter 48 timmar utan den viktigaste ingrediensen hade försvunnit från deras tarmar.

Forskarna på Synlogic tog också andra försiktighetsåtgärder vid konstruktion SYNB1618 och valde vilka mikrober som skulle användas för terapi. Annat än de gener som tillsätts för att behandla fenylalanin innehåller de manipulerade bakterierna exakt samma gener som originalet E coli Nissle 1917 som är inbyggd i tarmen och garanterar säkerheten.

Fungerar det verkligen?

När forskarna visade att bakterierna kunde omvandla fenylalanin i labbet bestämde de sig för att administrera bakterierna till möss med PKU. Resultaten visade att SYNB1618 försämrad fenylalanin cirkulerades i djurens tarm, vilket sänkte nivåerna i blodet hos de behandlade mössen.

Se även: Studien föreslår probiotiska bakterier och superbugs kan producera elektricitet

Sedan förberedde test på människor, testade forskare SYNB1618 på apor för att säkerställa säkerhet och effektivitet hos människor. Friska apor utan PKU matades fenylalanin och gav sedan en dos mikroberna. SYNB1618-bakterierna minskade framgångsrikt fenylalaninblodnivåerna - precis som de gjorde i musen.

Synlogic testar för närvarande SYNB1618 hos människor i en klinisk fas 1-studie.

Detta är ett steg mot ett nytt terapeutiskt tillvägagångssätt som erbjuder stor potential att behandla mänskliga sjukdomar som diabetes och cancer och att övervaka inflammationsnivåerna i inflammatoriska tarmsjukdomar.

När vi upptäcker och förstår rollen hos alla mikrober som bor i våra kroppar, förväntar jag oss att vi kommer att identifiera mikrober som kan vara perfekta fordon för att bära olika genterapier som behandlar ännu fler sjukdomar, inklusive de som involverar metabolism och centrala nervsystemet.

Den här artikeln publicerades ursprungligen på The Conversation av Pedro Belda Ferre. Läs den ursprungliga artikeln här.