The "friendly" bacteria inside our

The "friendly" bacteria inside our digestive systems are being given an upgrade, which may one day allow them to be programmed to detect and ultimately treat diseases such as colon cancer and immune disorders.

In a paper published in the journal Cell Systems, researchers at MIT unveil a series of sensors, memory switches, and circuits that can be encoded in the common human gut bacterium Bacteroides thetaiotaomicron.

These basic computing elements will allow the bacteria to sense, memorize, and respond to signals in the gut, with future applications that might include the early detection and treatment of inflammatory bowel disease or colon cancer.

Researchers have previously built genetic circuits inside model organisms such as E. coli. However, such strains are only found at low levels within the human gut, according to Timothy Lu, an associate professor of biological engineering and of electrical engineering and computer science, who led the research alongside Christopher Voigt, a professor of biological engineering at MIT.

"We wanted to work with strains like B. thetaiotaomicron that are present in many people in abundant levels, and can stably colonize the gut for long periods of time," Lu says.

The team developed a series of genetic parts that can be used to precisely program gene expression within the bacteria. "Using these parts, we built four sensors that can be encoded in the bacterium's DNA that respond to a signal to switch genes on and off inside B. thetaiotaomicron," Voigt says.

These can be food additives, including sugars, which allow the bacteria to be controlled by the food that is eaten by the host, Voigt adds.

Bacterial "memory"

To sense and report on pathologies in the gut, including signs of bleeding or inflammation, the bacteria will need to remember this information and report it externally. To enable them to do this, the researchers equipped B. thetaiotaomicron with a form of genetic memory. They used a class of proteins known as recombinases, which can record information into bacterial DNA by recognizing specific DNA addresses and inverting their direction.

The researchers also implemented a technology known as CRISPR interference, which can be used to control which genes are turned on or off in the bacterium. The researchers used it to modulate the ability of B. thetaiotaomicron to consume a specific nutrient and to resist being killed by an antimicrobial molecule.

The researchers demonstrated that their set of genetic tools and switches functioned within B. thetaiotaomicron colonizing the gut of mice. When the mice were fed food containing the right ingredients, they showed that the bacteria could remember what the mice ate.

Expanded toolkit

The researchers now plan to expand the application of their tools to different species of Bacteroides. That is because the microbial makeup of the gut varies from person to person, meaning that a particular species might be the dominant bacteria in one patient, but not in others.

"We aim to expand our genetic toolkit to a wide range of bacteria that are important commensal organisms in the human gut," Lu says.

The concept of using microbes to sense and respond to signs of disease could also be used elsewhere in the body, he adds.

In addition, more advanced genetic computing circuits could be built upon this genetic toolkit in Bacteroides to enhance their performance as noninvasive diagnostics and therapeutics.

"For example, we want to have high sensitivity and specificity when diagnosing disease with engineered bacteria," Lu says. "To achieve this, we could engineer bacteria to detect multiple biomarkers, and only trigger a response when they are all present.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

แบคทีเรียที่ "เป็นมิตร" ภายในระบบย่อยอาหารของเราจะได้รับการอัพเกรด พฤษภาคมหนึ่งวันทำให้สามารถตั้งโปรแกรมเพื่อตรวจสอบ และรักษาโรคมะเร็งและโรคภูมิคุ้มกันในที่สุดในเอกสารที่ตีพิมพ์ในสมุดรายวันระบบเซลล์ นักวิจัยที่ MIT เผยชุดเซนเซอร์ สลับหน่วยความจำ และวงจรที่สามารถเข้าในทั่วไปมนุษย์ลำไส้แบคทีเรีย Bacteroides thetaiotaomicronองค์ประกอบระบบคอมพิวเตอร์พื้นฐานเหล่านี้จะช่วยให้แบคทีเรียสังหรณ์ จำ และตอบสนองต่อสัญญาณในลำไส้ พร้อมใช้งานในอนาคตที่อาจมีการตรวจหาและบำบัดโรคมะเร็งลำไส้ใหญ่หรือโรคลำไส้อักเสบนักวิจัยได้เคยสร้างวงจรทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตจำลองเช่น E. coli อย่างไรก็ตาม สายพันธุ์ดังกล่าวจะเท่าพบในระดับต่ำภายในลำไส้มนุษย์ ตาม Lu ทิโมธี เป็นศาสตราจารย์ ด้านวิศวกรรมชีวภาพ และวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ ผู้นำการวิจัยควบคู่ไปกับคริสโตเฟอร์ Voigt ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพที่ MITลูกล่าวว่า "เราอยากทำงานกับสายพันธุ์เช่น thetaiotaomicron เกิดที่อยู่ในระดับมากมายหลายคน และ stably สามารถ colonize ไส้สำหรับระยะเวลานานทีมพัฒนาชุดของชิ้นส่วนพันธุกรรมที่สามารถใช้โปรแกรมยีนในแบคทีเรียแม่นยำ "เราใช้ชิ้นส่วนเหล่านี้ สร้างสี่เซนเซอร์ที่สามารถเข้ารหัสในดีเอ็นเอของแบคทีเรียที่ตอบสนองต่อสัญญาณสลับยีน และปิด ภายในเกิด thetaiotaomicron, " Voigt กล่าวว่าอาจมีวัตถุเจือปนอาหาร รวมทั้งน้ำตาล ซึ่งทำให้แบคทีเรียที่จะควบคุม โดยอาหารที่กิน โดยโฮสต์ Voigt เพิ่มแบคทีเรีย "จำ"ความรู้สึกและรายงานบน pathologies ในลำไส้ อาการเลือดออกหรืออักเสบ รวมทั้งแบคทีเรียจะต้องจดจำข้อมูลนี้ และรายงานภายนอก เพื่อช่วยให้คุณทำเช่นนี้ นักวิจัยพร้อม thetaiotaomicron เกิด มีรูปแบบของหน่วยความจำทางพันธุกรรม พวกเขาใช้ระดับของโปรตีนที่เรียกว่า recombinases ซึ่งสามารถบันทึกข้อมูลลงในดีเอ็นเอจากแบคทีเรีย โดยเฉพาะดีเอ็นเอที่อยู่ที่จดจำ และสีตรงกันข้ามทิศทางการนักวิจัยยังใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า CRISPR รบกวน ซึ่งสามารถใช้ในการควบคุมยีนที่จะเปิด หรือปิดในแบคทีเรีย นักวิจัยใช้การ modulate สามารถของ thetaiotaomicron เกิดกินอาหารเฉพาะ และต่อต้านการฆ่า โดยโมเลกุลจุลินทรีย์นักวิจัยแสดงว่า ชุดของเครื่องมือทางพันธุกรรมและสวิตช์แยกภายใน thetaiotaomicron เกิด colonizing ลำไส้ของหนู เมื่อหนูได้รับอาหารที่ประกอบด้วยส่วน พวกเขาแสดงให้เห็นว่า แบคทีเรียที่สามารถจำสิ่งหนูกินเครื่องมือขยายนักวิจัยตอนนี้แผนที่จะขยายการประยุกต์ใช้เครื่องมือของพวกเขาต่างพันธุ์ Bacteroides นั่นเป็น เพราะแต่งหน้าจุลินทรีย์ของไส้แตกต่างกันไปจากบุคคล หมายความ ว่า สปีชีส์หนึ่ง ๆ อาจแบคทีเรียหลัก ในผู้ป่วยหนึ่ง แต่ไม่อื่น ๆลูกล่าวว่า "เรามุ่งมั่นที่จะขยายเครื่องมือทางพันธุกรรมของเราหลากหลายของแบคทีเรียที่มีชีวิต commensal สำคัญในลำไส้มนุษย์แนวคิดการใช้จุลินทรีย์ในการรู้สึก และการตอบสนองต่ออาการของโรคสามารถใช้อื่น ๆ ในร่างกาย เขาเพิ่มขึ้นนอกจากนี้ วงจรคอมพิวเตอร์ขั้นสูงทางพันธุกรรมสามารถสร้างขึ้นมือนี้ทางพันธุกรรมใน Bacteroides เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการวินิจฉัย noninvasive และ therapeutics"ตัวอย่าง เราต้องมีความไวสูงและ specificity เมื่อวินิจฉัยโรคกับแบคทีเรียออกแบบ ลูกล่าวว่า "เพื่อให้บรรลุนี้ เราสามารถวิศวกรแบคทีเรียตรวจ biomarkers หลาย และกระตุ้นการตอบสนองเฉพาะ เมื่อพวกเขามีอยู่ทั้งหมด

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

"เป็นมิตร" แบคทีเรียภายในระบบการย่อยอาหารของเราจะได้รับการอัพเกรดซึ่งวันหนึ่งอาจช่วยให้พวกเขามีโปรแกรมในการตรวจสอบและในที่สุดการรักษาโรคเช่นโรคมะเร็งลำไส้ใหญ่และความผิดปกติของระบบภูมิคุ้มกัน. ในกระดาษที่ตีพิมพ์ในวารสารเซลล์ระบบนักวิจัยที่ เอ็มเปิดตัวชุดของเซ็นเซอร์สวิทช์หน่วยความจำและวงจรที่สามารถเข้ารหัสในแบคทีเรียในลำไส้ของมนุษย์ทั่วไป Bacteroides thetaiotaomicron. องค์ประกอบเหล่านี้คอมพิวเตอร์ขั้นพื้นฐานจะช่วยให้แบคทีเรียที่จะรู้สึกจดจำและตอบสนองต่อสัญญาณในลำไส้กับการใช้งานในอนาคตที่ อาจรวมถึงการตรวจหาและรักษาโรคลำไส้อักเสบหรือมะเร็งลำไส้ใหญ่. นักวิจัยได้สร้างขึ้นก่อนหน้านี้ทางพันธุกรรมภายในวงจรชีวิตรูปแบบเช่นเชื้อ E. coli แต่สายพันธุ์ดังกล่าวจะพบได้เฉพาะในระดับต่ำที่อยู่ในลำไส้ของมนุษย์ตามที่ทิโมธี Lu, ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพและวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่นำการวิจัยควบคู่ไปกับคริวอยต์ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพที่ MIT "เราต้องการที่จะทำงานร่วมกับสายพันธุ์เช่นบี thetaiotaomicron ที่มีอยู่ในหลาย ๆ คนที่อยู่ในระดับความอุดมสมบูรณ์และเสถียรสามารถตั้งรกรากลำไส้เป็นเวลานานของเวลา" ลูกล่าวว่า. ทีมพัฒนาชุดของชิ้นส่วนทางพันธุกรรมที่สามารถใช้ในการ ได้อย่างแม่นยำการแสดงออกของยีนที่อยู่ในโปรแกรมเชื้อแบคทีเรีย "การใช้ชิ้นส่วนเหล่านี้เราสร้างสี่เซ็นเซอร์ที่สามารถเข้ารหัสในดีเอ็นเอของแบคทีเรียที่ตอบสนองต่อสัญญาณที่จะเปลี่ยนยีนในและนอกภายใน thetaiotaomicron บี" ยต์กล่าว. เหล่านี้สามารถเป็นวัตถุเจือปนอาหารรวมทั้งน้ำตาลซึ่งจะช่วยให้แบคทีเรีย จะถูกควบคุมโดยอาหารที่กินโดยเจ้าภาพยต์เพิ่ม. แบคทีเรีย "ความจำ" กับความรู้สึกและรายงานเกี่ยวกับโรคในลำไส้รวมถึงสัญญาณของการมีเลือดออกหรือการอักเสบ, แบคทีเรียจะต้องจำข้อมูลนี้และรายงานจากภายนอก เพื่อให้พวกเขาทำเช่นนี้นักวิจัยพร้อม thetaiotaomicron บีด้วยรูปแบบของหน่วยความจำทางพันธุกรรม พวกเขาใช้ระดับของโปรตีนที่รู้จักกันเป็น recombinases ซึ่งสามารถบันทึกข้อมูลลงในดีเอ็นเอของแบคทีเรียด้วยการตระหนักถึงดีเอ็นเอที่อยู่ที่เฉพาะเจาะจงและ inverting ทิศทางของพวกเขา. นักวิจัยยังนำมาใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่าการแทรกแซง CRISPR ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการควบคุมซึ่งมียีนที่มีการเปิดหรือ ออกในแบคทีเรีย นักวิจัยได้ใช้มันในการปรับความสามารถของ thetaiotaomicron บีที่จะบริโภคสารอาหารที่เฉพาะเจาะจงและจะต่อต้านการถูกฆ่าโดยโมเลกุลยาต้านจุลชีพ. นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าพวกเขาชุดของเครื่องมือทางพันธุกรรมและสวิทช์ทำหน้าที่ภายในบี thetaiotaomicron อาณานิคมลำไส้ของหนู เมื่อหนูได้รับการเลี้ยงดูอาหารที่มีส่วนผสมที่ถูกต้องที่พวกเขาแสดงให้เห็นว่าเชื้อแบคทีเรียที่สามารถจำสิ่งที่หนูกิน. เครื่องมือขยายตอนนี้นักวิจัยวางแผนที่จะขยายการประยุกต์ใช้เครื่องมือของพวกเขาชนิดที่แตกต่างกันของ Bacteroides นั่นเป็นเพราะการแต่งหน้าจุลินทรีย์ในลำไส้แตกต่างกันไปจากคนสู่คนซึ่งหมายความว่าสายพันธุ์โดยเฉพาะอย่างยิ่งอาจจะมีแบคทีเรียที่โดดเด่นในผู้ป่วยรายหนึ่ง แต่ไม่ได้อยู่ในที่คนอื่น ๆ . "เรามุ่งมั่นที่จะขยายชุดเครื่องมือพันธุกรรมของเราที่หลากหลายของเชื้อแบคทีเรียที่มี ชีวิต commensal สำคัญในลำไส้ของมนุษย์ "ลูกล่าวว่า. แนวคิดของการใช้จุลินทรีย์ที่จะรู้สึกและตอบสนองต่ออาการของโรคนอกจากนี้ยังสามารถนำมาใช้ในส่วนอื่นของร่างกายเขากล่าวเสริม. นอกจากนี้ที่สูงขึ้นวงจรคอมพิวเตอร์ทางพันธุกรรมที่อาจจะสร้างขึ้นนี้ เครื่องมือทางพันธุกรรมใน Bacteroides เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของพวกเขาเช่นการวินิจฉัยและการรักษาไม่รุกล้ำ. "ตัวอย่างเช่นเราต้องการที่จะมีความไวและความจำเพาะสูงเมื่อการวินิจฉัยโรคที่มีเชื้อแบคทีเรียวิศวกรรม" ลูกล่าวว่า "เพื่อให้บรรลุนี้เราสามารถวิศวกรเพื่อตรวจหาเชื้อแบคทีเรียหลาย biomarkers และมีเพียงเรียกการตอบสนองเมื่อพวกเขาที่มีอยู่ทั้งหมด

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

" มิตร " แบคทีเรียภายในระบบการย่อยอาหารของเราจะได้รับการอัพเกรด ซึ่งวันหนึ่งอาจจะอนุญาตให้พวกเขาเป็นโปรแกรมที่จะตรวจสอบและในที่สุดรักษาโรค เช่น โรคมะเร็งลำไส้ และโรคภูมิคุ้มกัน .

ในกระดาษที่ตีพิมพ์ในวารสารเซลล์ระบบ นักวิจัยที่ MIT เปิดตัวชุดของเซ็นเซอร์ สวิตช์ หน่วยความจำและวงจรที่สามารถเข้ารหัสในมนุษย์ทั่วไปที่มีไส้ bacteroides thetaiotaomicron

เหล่านี้พื้นฐานการคำนวณองค์ประกอบจะช่วยให้แบคทีเรียที่จะสัมผัส จดจำและตอบสนองสัญญาณในทางเดินอาหาร , กับการใช้งานในอนาคต ซึ่งอาจรวมถึงการตรวจหาและการรักษาของโรคลำไส้อักเสบหรือมะเร็งลำไส้ใหญ่ .

นักวิจัยได้เคยสร้างวงจรแบบพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิต เช่น E . coli อย่างไรก็ตาม สายพันธุ์ดังกล่าวจะพบได้ในระดับต่ำภายในลำไส้ของมนุษย์ ตามทิโมธีลู่ ศาสตราจารย์วิศวกรรมชีวภาพและทางด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ ที่นำการวิจัยร่วมกับ คริสโตเฟอร์ วอยก์ต , ศาสตราจารย์วิศวกรรมชีวภาพที่ MIT .

" เราต้องการที่จะทำงานกับสายพันธุ์ เช่น บี thetaiotaomicron ที่มีอยู่ในคน ในระดับมาก และอย่างถาวรสามารถตั้งรกรากลำไส้เป็นเวลานาน " Lu บอก

ทีมพัฒนาชุดของชิ้นส่วนทางพันธุกรรมที่สามารถใช้โปรแกรมแน่นอน การแสดงออกของยีนในแบคทีเรีย” ใช้ชิ้นส่วนเหล่านี้เราสร้างสี่เซ็นเซอร์ที่สามารถเข้ารหัสในดีเอ็นเอของแบคทีเรียที่ตอบสนองต่อสัญญาณการเปลี่ยนยีน และ ปิด ภายใน พ. thetaiotaomicron " วอยก์ตบอกว่า

เหล่านี้สามารถเป็นวัตถุเจือปนอาหาร ได้แก่ น้ำตาล ที่ช่วยให้แบคทีเรียที่จะถูกควบคุมโดยอาหารที่รับประทาน โดยเจ้าภาพ วอยก์ต
เพิ่ม
จาก " หน่วยความจำ "

ความรู้สึกและรายงานโรคในกระเพาะอาหารรวมทั้งร่องรอยของเลือดหรือภาวะแบคทีเรียจะต้องจำข้อมูลนี้และรายงานภายนอก ที่จะช่วยให้พวกเขาทำเช่นนี้ นักวิจัยห้อง B thetaiotaomicron ด้วยรูปแบบของหน่วยความจำทางพันธุกรรม พวกเขาใช้ระดับของโปรตีนที่เรียกว่า recombinases ซึ่งสามารถบันทึกข้อมูลลงในดีเอ็นเอโดยอาศัยแบคทีเรียที่อยู่เฉพาะดีเอ็นเอและกลับหัวทิศทางของพวกเขา .

นักวิจัยยังใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่าการแทรกแซง crispr ซึ่งสามารถใช้ควบคุมซึ่งยีนเปิดหรือปิดในแบคทีเรีย นักวิจัยได้ใช้มันเพื่อปรับความสามารถของบี thetaiotaomicron การบริโภคสารอาหารที่เฉพาะเจาะจงและเพื่อต่อต้านการฆ่าโดยโมเลกุลของยาต้านจุลชีพ .