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光遗传学方法提供研究肠道内细菌所需精度

发布:WD114EVA    |    2021-01-12 17:48    阅读:804
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光遗传学方法提供研究肠道内细菌所需精度

德克萨斯州的研究人员用光遗传学控制机制,通过应用不同颜色的光成功地将蠕虫肠道内的肠道细菌"打开"和"关闭"。这项研究由Baylor College of Medicine的Meng Wang和Rice University的Jeffrey Tabor主导,研究小组表明莢膜异多糖酸(CA)代谢物是由肠道细菌产生的,而不是在胃中被消化。

Wang之前进行的研究表明,CA将蠕虫的寿命延长了50%,这个值相当于实验室环境中四周以上的寿命。这一新进展成功地将CA的产生限制在蠕虫的肠道,最终使科学家能够测量其对肠道细胞的益处。在这项研究中,当精心设计的大肠杆菌链暴露在绿光而不是红光下时,其产生了CA。然后结合基因使荧光蛋白呈现不同的颜色,这个方法保证一种颜色将永远是明亮的,当使用微观观察时会明显地呈现出来。这使得科学家能够看到细菌在蠕虫体内的位置。只有当细菌产生CA时,第二种颜色才变得可见。

研究人员在将细菌喂给蠕虫之前将细菌控制在红灯下。当细菌通过消化道进入肠道时,它们激活了绿灯。 "当其暴露在绿灯下时,携带这种大肠杆菌菌株的蠕虫也会活得更久。光线越强,寿命越长," Wang说。Wang是Robert C. Fyfe生物寿命课题的讲座主席,同时也是Huffington Center on Aging at Baylor的分子和人类遗传学教授和Howard Hughes Medical Institute的研究员。在早期对高等生命体的实验中,Wang表示,CA有效地调节了线粒体的裂变和聚合之间的平衡,包括在肠道细胞和肌肉细胞上。这种效应有助于细胞的寿命;线粒体(向单个细胞提供能量的细胞结构)在裂变和聚合之间保持平衡,尽管其效率会随着时间的推移而降低。线粒体功能障碍会导致细胞的衰退以及生物体的变老。

在蠕虫的胃肠道图像中可以看到光反应的细菌(喂给蠕虫的细菌)。工程师们对细菌进行编程以产生一种叫做mCherry的红色荧光蛋白,这样它们就很容易在显微镜下看到。当暴露在绿灯下时,细菌还会产生一种叫做sfGFP的绿色荧光蛋白,这会导致它们发绿色光。当暴露在红灯下时,它们不会产生绿色荧光蛋白。左列图中蠕虫被红灯处理。右列图中的蠕虫被绿灯处理。Jeffrey Tabor/Rice University供图。

Tabor说,针对这些实验结果,他们提出了一个是否可转移的问题,即肠道细胞是否在其它细胞之前首先受益于CA,因为CA是在肠道中产生的。更广泛的问题是:CA对线粒体的好处是否会从肠道传播到全身?研究人员说,他们没有发现在短期内线粒体在蠕虫肌肉细胞内受益的证据。这意味着CA促进长寿的作用从肠道开始,然后扩散到组织。这项新技术利用光进行精确观测,该技术的准确性可以让研究人员回答有关肠道代谢的其它问题。

"我们知道肠道细菌会影响我们身体的许多过程," Tabor说。"它们与肥胖、糖尿病、焦虑、癌症、自身免疫性疾病、心脏病和肾脏疾病有关。大量的研究是关于当你有各种疾病时会带有什么细菌,以及它们显示了什么样的相关性。Tabor说,除了相关性之外,最终目标是显示其因果关系。一个人可以通过摄入细菌以改善健康和/或治疗疾病,这是是科学家渴望继续了解的东西。

然而,在设计实验以显示肠道内特定位置所发生的情况时,困难仍然存在,因此工作人员绘制出一条路线以显示肠道细菌产生的分子可能导致疾病或健康。Tabor说:"肠道是一个很难进入的器官,尤其是在大型哺乳动物中。"我们的肠子有28英尺长,而且功能具有多样性。比如整个肠道的pH会变化,细菌也会随之变化。不同的组织功能不一样,就像它们会分泌不同的分子一样。他说:"要回答有关肠道细菌如何影响我们健康的问题,你需要能够在特定地点和特定时间打开基因,比如动物年轻时或动物早上醒来时。你需要精确的控制基因开关,来研究它们的轨迹,它们在哪里发生的以及它们是如何发生的。Tabor说由于它使用光来触发基因,光遗传学提供了这种控制的水平。他说在这一点上,光是真正具有足够精度来打开小肠细菌基因的唯一信号。

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