Wissenschaftler bearbeiten die Gene von Darmbakterien in lebenden Mäusen

Wissenschaftler haben ein Genom-Bearbeitungswerkzeug entworfen, das die bakterielle Population im Darmmikrobiom lebender Mäuse modifizieren kann¹.

Das Werkzeug – eine Art „Baseneditor“ – veränderte das Zielgen in mehr als 90% einer Escherichia coli-Kolonie im Mausedarm, ohne dass das veränderte Gen potenziell schädliche Kopien von sich selbst bildete. „Wir träumten davon, das zu können“, sagt Xavier Duportet, ein synthetischer Biologe, der Eligo Bioscience, ein Biotechnologieunternehmen in Paris, mitbegründet hat. Die Ergebnisse wurden heute in Nature veröffentlicht.

Mehrere Forschungsteams haben versucht, genetische Veränderungen an Darmbakterien von Mäusen vorzunehmen, aber dies im Körper zu erreichen, war eine Herausforderung. ^4,3,2. Bislang sind Baseneditoren, die eine Nukleotidbase gegen eine andere austauschen – zum Beispiel ein A in ein G konvertieren – ohne den DNA-Doppelstrang zu brechen, nicht in der Lage, genügend der Zielbakterienpopulation zu modifizieren, um effektiv zu sein. Dies liegt daran, dass die Vektoren, in denen sie geliefert wurden, nur Rezeptoren anvisierten, die in Bakterien üblich sind, die im Labor kultiviert wurden.

Innovatives Liefersystem

Um diese Hürden zu überwinden, konstruierten Duportet und seine Kollegen ein Lieferfahrzeug unter Verwendung von Komponenten eines Bakteriophagen – einem Virus, das Bakterien infiziert -, um auf verschiedene E. coli-Rezeptoren abzuzielen, die in der Darmumgebung exprimiert werden. Dieser Vektor trug einen Baseneditor, der spezifische E. coli-Gene anvisierte. Die Forscher verfeinerten auch das System, um zu verhindern, dass die editierten Gene repliziert und sich verbreitet.

Das Team führte den Baseneditor in Mäuse ein und nutzte ihn, um A in das E. coli-Gen zu ändern, das β-Laktamasen produziert – Enzyme, die bakterielle Resistenz gegen verschiedene Arten von Antibiotika fördern. Etwa acht Stunden nach der Behandlung waren rund 93% der angezielten Bakterien editiert.

Anschließend passten die Forscher den Baseneditor an, sodass er ein E. coli-Gen modifizieren konnte, das ein Protein produziert, das bei mehreren neurodegenerativen und Autoimmunerkrankungen eine Rolle spielen soll. Der Anteil an editierten Bakterien lag drei Wochen nach der Behandlung bei rund 70%. Im Labor konnten die Wissenschaftler das Werkzeug auch einsetzen, um Stämme von E. coli und Klebsiella pneumoniae zu bearbeiten, die Lungenentzündungen verursachen können. Dies deutet darauf hin, dass das Editierungssystem an verschiedene Bakterienstämme und -arten angepasst werden kann.

Dieses Baseneditiersystem stellt einen „kritischen Fortschritt“ bei der Entwicklung von Werkzeugen dar, die Bakterien direkt im Darm modifizieren können, sagt Chase Beisel, ein Chemieingenieur am Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung in Würzburg, Deutschland. Die Studie „eröffnet die Möglichkeit, Mikroben zu bearbeiten, um Krankheiten zu bekämpfen, während gleichzeitig verhindert wird, dass sich das manipulierte DNA verbreitet“, fügt er hinzu.

Der nächste Schritt von Duportet und seinen Kollegen ist die Entwicklung von Mausmodellen mit durch das Mikrobiom verursachten Krankheiten, um zu messen, ob spezifische Gen-Edits einen positiven Einfluss auf deren Gesundheit haben.