Biologische Sensoren für den Darm
Kann die Tiefe des Lebens mit einem einzigen Foto eingefangen werden? Die Methoden, mit denen die Molekularbiologie einer Zelle erforscht wird, funktionieren wie eine Kamera, die nur einen einzigen Schnappschuss aufnimmt. Um die dynamischen Prozesse auf dieser Ebene zu verstehen, ist aber eher eine Videokamera notwendig. Forschende am Department of Biosystems Science and Engineering(öffnet in neuem Fenster) and der ETH Zürich haben kürzlich genau so ein Verfahren(öffnet in neuem Fenster) entwickelt. Bei diesem Ansatz, der „Record-seq“, werden mit CRISPR-Gentechnologie Fragmente zellulärer RNA in DNA umgewandelt. RNA enthält Informationen zum aktuellen Zustand einer Zelle, baut aber schnell ab – die enthaltenen Informationen sind statisch wie ein Foto. DNA kann Sequenzen dieser Informationen enthalten, die einen längeren Zeitstempel darstellen – also im Prinzip wie eine molekulare Videokamera. Im Projekt CRISPRhistory(öffnet in neuem Fenster), das über den Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, haben die Forschenden versucht, Record-seq zur durchgehenden Aufzeichnung der Prozesse im Darm von Säugetieren einzusetzen. Die Zellen im Darm reagieren auf Umweltveränderungen, indem die Genexpression geändert wird. Diese Veränderungen geben also Aufschluss zur Ernährung oder sogar der Entwicklung von Krankheiten wie Krebs. Das Team konzentrierte sich auf die Entwicklung von „Wächterzellen“, die die Umgebung aufzeichnen. „Wir haben transkriptionelle Aufzeichnungen mit Wächterzellen entwickelt, die wie Biosensoren funktionieren und eine ‚Aufzeichnung‘ der Zellerfahrungen liefern“, erklärt Florian Schmidt(öffnet in neuem Fenster), ein Forscher an der ETH Zürich.
Biosensoren für den menschlichen Darm
Bakterien sind auf dem Weg durch den Darm allen möglichen unterschiedlichen Umgebungen ausgesetzt. Eine Fäkalienanalyse liefert nur eine begrenzte Momentaufnahme. Die Forschenden wollten jedoch wissen, was weiter oben im Darm mit den Bakterien passiert ist. Für die Wächterzellen mit Biosensoren hat das Team Escherichia coli verwendet, ein Bakterium, das natürlicherweise im menschlichen Darm vorkommt. Mit Record-seq konnten die Forschenden zwar die Wahrnehmung von E. coli ablesen, aber mehrere Biomarker für Krankheiten lösen bei E. coli keine spezifische Reaktion aus. Daher hat das Team innovative Biosensoren entwickelt, die auf kurzkettige Fettsäuren abzielen, die eng mit der Gesundheit des Wirts in Verbindung stehen, besonders bei Stoffwechselkrankheiten. Sie sind zudem schwer im klinischen Umfeld nachzuweisen. „Nach unseren Ergebnissen lassen sich diese Biosensoren nahtlos in die Record-seq-Architektur integrieren“, berichtet Schmidt. „Wir werden die Arbeiten dieses Jahr abschließen und ein Manuskript zur Veröffentlichung in einer von Fachleuten geprüften Fachzeitschrift einreichen.“
Die Forschung zur Darmflora fördern
Bei Forschung an Mäusen hat das Team erfolgreich gezeigt, dass die Record-seq-Technologie als Forschungs- und Diagnoseinstrument eingesetzt werden kann, um die Darmflora zu untersuchen. Sie konnten verschiedene Ernährungsformen bei Mäusen unterscheiden und sogar erkennen, wann für eine Woche eine ungesunde Ernährung eingenommen wurde. Das war bis zu zwei Wochen nach dem Umstieg zurück auf eine gesunde Ernährung möglich. „Das birgt viel Potenzial für die Überwachung menschlicher Betroffener in der Zukunft“, ergänzt Schmidt. Die Arbeit fließt auch in andere Forschungsarbeiten im Bereich der Darmflora ein, da sie eine neue Möglichkeit darstellt, den Darm nicht-invasiv zu analysieren. Das Team arbeitet jetzt aktiv daran, die Technologie umzuwandeln, damit sie zur Diagnose in der Medizin eingesetzt werden kann. „Das ist ein langer Weg, auf dem viele spannende Entdeckungen warten“, sagt Schmidt.
