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Batteri commestibili di ingegneria
I probiotici, un campo che cerca di utilizzare batteri commestibili per migliorare la salute umana, potrebbe presto subire una metamorfosi. Gli studenti del MIT e del Caltech stanno usando le tecniche della biologia sintetica per creare batteri che combattono le carie, producono vitamine e trattano l'intolleranza al lattosio, come parte del Macchine geneticamente modificate internazionali (iGEM) al MIT. La nuova ricerca potrebbe portare a un modo più economico per produrre medicinali o migliorare le diete nei paesi in via di sviluppo.
Bug che rompono la placca: Gli studenti del MIT stanno ingegnerizzando il batterio Lactobacillus bulgaricus (mostrato qui in marrone), che si trova nello yogurt, per prevenire la carie.
La biologia sintetica è la ricerca per progettare e costruire nuovi organismi che svolgono funzioni utili. Molta ricerca nel campo si è concentrata sull'utilizzo dei batteri come fabbrica: uno dei suoi primi successi è stato lo sviluppo di microbi che producono medicine per la malaria. Altre ricerche hanno studiato veicoli di consegna mirati, come i microbi progettati per portare la medicina in una parte specifica del corpo. Ma i nuovi progetti sono tentativi di migliorare i benefici per la salute dei batteri commestibili.
Questi progetti traggono vantaggio dal fatto che i nostri corpi sono già colonizzati da miliardi di batteri. Se vuoi davvero applicare un batterio a una persona, pensa a dove esistono naturalmente e sopravvivono in un essere umano mentre cerchi ancora di progettare nuove funzioni, dice Christina Smolke, una biologa sintetica del Caltech che consiglia il team dell'università.
Le nostre bocche, per esempio, sono un rifugio per i batteri, buoni e cattivi. I batteri che vivono nella placca dentale, chiamati Streptococcus mutans , si nutrono di zucchero sui nostri denti e quindi espellono acidi, che consumano lo smalto dentale e causano carie. Per creare microbi che combattono la cavità, il squadra del MIT iniziato con un peptide, un breve segmento proteico, che è stato precedentemente dimostrato per impedire ai batteri cattivi di attaccarsi ai denti. Il team ha costruito un pezzo di DNA contenente sia il gene che produce il peptide sia un gene per un segnale molecolare che induce il batterio a espellerlo.
Il prossimo passo sarà inserire questo pezzo di DNA in Lactobacillus bulgaricus , un microbo comune nello yogurt. Gli studenti non l'hanno ancora fatto, ma hanno introdotto con successo DNA estraneo nel microbo, che prepara il microbo per un'ulteriore ingegneria genetica. Questo di per sé è un'impresa impressionante, dato che Lactobacillus bulgaricus non è comunemente usato in laboratorio e richiede quindi lo sviluppo di nuove tecniche sperimentali.
Se il microbo può essere ingegnerizzato con successo, mangiare yogurt lo depositerebbe sui denti, dove produrrebbe il peptide protettivo. Questo sarebbe probabilmente più efficace di un antibatterico che uccide tutto, dice Chia-Yung Wu, uno studente laureato in biologia al MIT che consiglia il team. Prende di mira solo le cose dannose. (Un problema comune con gli antibiotici è che uccidono sia i batteri nocivi che utili nella bocca e nell'intestino, lasciando un paesaggio aperto per la colonizzazione dei batteri cattivi.)
Un progetto centrale nella biologia sintetica è il tentativo di creare un enorme elenco di parti pubblicamente accessibile, un catalogo di sequenze geniche e le funzioni delle proteine risultanti. Il team del MIT non intende sviluppare un prodotto per uso commerciale, ma le parti biologiche che crea potrebbero un giorno essere utilizzate in altre applicazioni, migliorando il valore nutritivo dello yogurt, ad esempio, con batteri che producono un tipo specifico di vitamina . Il team, che include gli studenti Sara Mouradian e Derek Ju, ha già depositato le parti che ha creato in un archivio centrale del MIT chiamato Registro delle parti biologiche standard . L'ampliamento del registro è uno degli aspetti più importanti della competizione. Quest'anno abbiamo inviato 2.000 parti di DNA a ciascuna squadra e stiamo ricevendo 1.500 nuove parti, afferma Randy Rettberg , direttore di iGEM e ricercatore principale al MIT.
Il Caltech team focalizzato sui microbi nell'intestino, con l'obiettivo di creare una soluzione microbica per l'intolleranza al lattosio. Piuttosto che assumere una vitamina quotidiana, potresti bere alcuni microbi intestinali ed essere impostato per una settimana o un mese o per quanto tempo durano i microbi, afferma Josh Michener, uno studente laureato del Caltech che consiglia il team.
Le persone che possono tollerare i latticini secernono naturalmente la lattasi, un enzima che scompone il lattosio, uno zucchero nel latte. I prodotti di degradazione, che includono il glucosio, vengono quindi assorbiti nel sangue dall'intestino tenue. Nelle persone intolleranti al lattosio, lo zucchero viene passato all'intestino crasso, dove viene infine metabolizzato da una catena di batteri. Nel processo, i microbi producono idrogeno e gas metano, i colpevoli dei fastidiosi sintomi della malattia – nausea, gonfiore addominale, gas e diarrea.
Le pillole di lattasi sono disponibili per aiutare le persone a digerire i prodotti lattiero-caseari, ma gli studenti del Caltech volevano una soluzione più permanente. Hanno iniziato con un ceppo di E. coli spesso usato come probiotico in Germania. Il ceppo, chiamato Nissle 1917, è stato originariamente estratto da soldati della prima guerra mondiale che erano immuni a un virus gastrointestinale estremo che si è diffuso in un campo militare, afferma Michener.
Gli studenti hanno aggiunto tre parti biologiche al batterio Nissle: un gene che produce l'enzima lattasi, un recettore che riconosce il lattosio e un sensore che fa aprire la cellula a una certa concentrazione di lattosio. Con questo sistema, i batteri nell'intestino producono costantemente lattasi. Quando i recettori sulla superficie esterna di un batterio si legano a una quantità sufficiente di lattosio, innescano l'esplosione della cellula, rilasciando lattasi nell'intestino per abbattere lo zucchero. Gli studenti hanno finora creato i primi due componenti, ma hanno problemi a progettare i microbi in modo che si autodistruggano nel modo corretto. Il team sta anche lavorando su un microbo commestibile che produrrebbe folato, una vitamina importante per prevenire i difetti alla nascita.
Entrambi i team hanno presentato la loro ricerca al concorso iGEM al MIT questo fine settimana, insieme a più di 70 altri team delle università di tutto il mondo. Negli anni passati, gli studenti hanno creato di tutto, da pellicole fotografiche batteriche a batteri al profumo di banana e minuscole scatole fatte di DNA.