Ny teknik för att förstå tarmhälsa prisas

Florian Schmidt är årets grand prize-vinnare av Science & SciLifeLab’s pris för unga forskare. Han tillägnas priset för ”sitt arbete med att utveckla Record-seq, en banbrytande teknologi som registrerar interaktioner mellan mikrofloran i tarmen på ett icke-invasivt sätt, vilket bidrar till ökad förståelse för mag-tarmhälsa”.

Schmidts vinnande essä handlar om att genom genetisk förändring av Escherichia coli (E. coli), en bakterie som vanligtvis finns i människans tarm, få dessa bakterier att i sitt DNA registrera det genetiska uttrycket av interaktioner mellan värdorganismen, dess diet och dess mikroflora. Till skillnad från RNA, som är relativt kortlivat och bräckligt, registrerar det DNA som produceras av dessa E. coli-bakterier information från olika tidpunkter som sedan kan tolkas genom att sekvensera värdorganismens avföring. Detta bidrar till ökad förståelse för, och behandling av, tarmhälsa.

“Schmidt’s arbete är mycket kreativt och en teknisk milstolpe. Genom att ta forskningen från koncept till tillämpning har hans forskning lett till utvecklingen av en unik metod som möjliggör bakteriella sensor-celler vilka kan upptäcka förändringar i tarmen hos sin värd. Genom att spåra samspelet mellan mikrofloran och värden kan man öka förståelsen för hur mikrofloran påverkar sjukdom och hälsa, säger Sacha Vignieri, deputy editor på Science.

Schmidt och hans kollegor utnyttjade det adaptiva mikrobiella immunförsvarssystemet CRISPR och utnyttjade CRISPR:s främmande DNA- förvärvskomplex för att utveckla Record-Seq, och anpassade det för att lagra och registrera transkriptionssvar som DNA för att rapportera om tarmmiljön.

”Vi använde biologisk ingenjörskonst för att utrusta celler från den goda bakterien E. coli med en ”molekylär inspelare” som kan omvandla RNA till DNA-sekvenser. Denna omvandling gör det möjligt för våra detektions-celler att själva ”spela in” sina egna snabbt förändrade transkriptom till DNA som en permanent lagringsform och på så sätt spara information om transkriptionen”, utvecklar Schmidt.

Metodoptimering

Record-seq-tekniken är ursprungligen inte avsedd för att studera mikrofloran i tarmen, säger Schmidt. Men när teknikens potential för att studera bakteriers DNA-historia upptäcktes, påbörjade Florian Schmidt, tillsammans med kollegorna Tanmay Tanna och Jakob Zimmerman från Randall Platts och Andrew Macphersons grupp, arbetet med att använda Record-sec för att studera mikrofloran i tarmen

Existerande metoder för att undersöka magtarm-kanalen är kirurgi för att mäta tarmens aktivitet, och avförings- eller blodbaserade tester, vilket inte ger information om den faktiska situationen i tarmen. Genom att modiferia E. coli-celler med Record-seq-tekniken får forskarna på ett icke-invasivt sätt inblick i tarmens proximala delar och mikroflorans anpassningar och beteende.

"Andra forskare har utvecklat biosensorer som kan detektera närvaron av en specifika molekyler, men de är designade för att registrera närvaro eller frånvaro av ett fåtal molekyler, men blinda för allt annat," förklarar Schmidt. "Med Record-seq tar vi bort deras ögonbindel och allt som bakterierna interagerar med och som förändrar deras beteende kan registreras."

Förhoppningen är att forskare nu ska kunna använda Record-seq som ett verktyg för att upptäcka biomarkörer som är viktiga för näringsupptag och sjukdomar, berättar Schmidt. I framtiden kan detta möjliggöra ytterligare translationella satsningar inom diagnostik och terapi.

Tarmhälsans framtid

Schmidt och hans kollegor matade möss med de modifierade E. coli-bakterierna för att testa den transkriptionella ”inspelningen” inuti tarmen. Forskarna fick informationen genom att DNA-sekvensera celler från mössens avföring, och kunde sedan undersöka det som registrerades av E. coli, genom att förändra mössens diet.

Record-seq kunde visa hur E. coli-bakterierna anpassade sig till olika dieter i tarmens olika delar som RNA-seq inte kunnat hitta tidigare. Till exempel såg forskarna att i gruppen möss som fick en stärkelsebaserad kost – liknande en mänsklig kost rik på kolhydrater – reagerade E. coli direkt på den stora mängden kol-atomer som finns i snabba kolhydrater jämfört med en fiberrik kost.

"Våra detektions-E Coli började faktiskt livnära sig på värdens – i det här fallet musens – tarmslem, snarare än på kolhydraterna från kosten, genom att bryta ner glykolsyror från tarmen" berättar Schmidt.

De nya insikterna om mikroflorans hemliga liv i tarmen är fascinerande komplexa, och Record-seq öppnar nya möjligheter att förstå hur näringsupptag, inflammation och mikrobiella interaktioner i mag-tarmkanalen bidrar till hälsa och sjukdom.

"Tänk på alla sjukdomar som involverar mag-tarm-kanalen, och på att vi skulle kunna använda kunskapen om dem för att undersöka hur människor reagerar på olika dieter. Skillnaderna mellan hur olika individer reagerar på olika dieter är överraskande stor och kan också bidra till sjukdomstillstånd som undernäring och fetma. Record-seq skulle kunna användas för att undersöka och skapa bättre behandlingsunderlag för dessa sjukdomar och även identifiera kost-intoleranser”, säger Schmidt.

Science & SciLifeLab Prize for Young Scientists vill uppmärksamma att vårt samhälle är beroende av forskning. Science och SciLifeLab vill uppmuntra unga forskare att fortsätta inom sina forskningsområden under sin vetenskapliga karriär. Grand Prize-vinnaren erhåller ett pris på $30 000 USD och får sin essä publicerad i Science den 25 november.

"Det som slår mig med vinnarna av Science & SciLifeLab-priset genom åren är deras förmåga att tydligt förklara sina spännande vetenskapliga upptäckter och sätta dem i ett bredare sammanhang inom biologi, medicin och samhällsutmaningar. Det gäller även i år, med tre essäer som beskriver olika typer av forskning om mikrober och en essä om hur ett protein som är involverat i celltillväxt i frisk och sjuk vävnad styrs. Vi på SciLifeLab är glada över att vara en del av priset och hoppas att erkännandet kommer att främja vinnarnas – nästa generations forskningsledares – karriärer, och bidra till att sprida kunskap om deras forskning. Grattis till alla fyra vinnare av årets pris, säger SciLifeLab’s Director Olli Kallioniemi.

2022 års vinnare

Florian Schmidt är årets Grand Prize-vinnare. Han prisas för sin essä "Autobiography of a gut bacterium". Schmidt är postdoc i professor Prof. Randall Platt’s grupp vid Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) på ETH Zürich. Han föddes i Mainz, Tyskland och tog sin BSc och MSc vid Ruprecht Karl University of Heidelberg. Idag forskar Schmidt vid ETH Zürich.

Stefany Moreno-Gámez tilldelas pris för sin essä, "How bacteria navigate varying environments." Moreno-Gámez har en grundexamen från Universidad de los Andes och en doktorsexamen från University of Groningen och ETH Zürich. Hon är för närvarande postdoktor vid Massachusetts Institute of Technology. Hennes forskning fokuserar på hur kost- och värdhärledda glykaner formar den ekologiska och evolutionära dynamiken i tarmmikrobiomet.

James L. Daly tilldelas pris för sin essä, “Endosomes, receptors, and viruses.” Daly’s grund- och doktorsexamen är från University of Bristol. Efter att ha avslutat sina studier fick han ett Wellcome Early Career Award-stipendium och flyttade till Department of Infectious Diseases, King's College London. Hans nuvarande forskning fortsätter att utforska det molekylära gränssnittet mellan neuropilin-receptorer och virus, samt utforskar möjligheten till antiviral hämning av denna process.

Daniele Simoneschi tilldelas pris för sin essä, “Uncovering the degrader of D-type cyclins”. Simoneschis har en grundexamen från Manhattanville College och Master of Philosophy samt Ph.D. från Vilcek Institute vid New York University (NYU). Han är docent vid institutionen för biokemi och molekylär farmakologi vid NYU, där han utforskar de molekylära och cellulära mekanismer som cullin-RING ubiquitinligaser använder för att styra cellcykeln.

Science & SciLifeLab Prize for Young Scientists instiftades 2013. Det är ett globalt pris som syftar till att uppmärksamma lovande forskare tidigt i deras karriärer. Science and SciLifeLab-priset för unga forskare initierades som ett samarbete mellan SciLifeLab och tidskriften Science/AAAS. Priset medfinansieras av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, som är en av de största privata finansiärerna av vetenskaplig forskning i Europa. Priset skapades för att uppmärksamma att vårt samhälle är beroende av stark grundforskning.
Läs mer >>>