Genetisch gereedschap maakt lastige darmbacteriën bewerkbaar met CRISPR

Onze darmen zitten vol bacteriën die ons ziek of gezond kunnen houden. Een belangrijke groep daarvan zijn de Clostridia: bacteriën die van nature in de microbioom voorkomen en meebepalen hoe wij vet en gal verwerken. Het probleem is dat wetenschappers deze bacteriën nauwelijks konden bestuderen, omdat de standaard-gereedschapskist voor genetische manipulatie niet op hen werkte. Een team van Amerikaanse onderzoekers, gepubliceerd in Nature Biotechnology, doorbreekt die impasse met een nieuwe reeks genetische bouwstenen die wél breed inzetbaar zijn.

Onbekend terrein in de darmflora

De meeste kennis over darmbacteriën komt van een handvol modelorganismen die makkelijk in het lab te kweken en te manipuleren zijn. Clostridia-soorten uit de families Clostridiaceae en Lachnospiraceae behoren daar niet toe, terwijl ze wel in grote aantallen in de darm voorkomen en invloed hebben op onder meer de vetstofwisseling. Zonder goed gereedschap bleef onduidelijk welke genen in deze bacteriën verantwoordelijk zijn voor welke effecten op de gezondheid van de gastheer.

Schakelaar voor bacteriële genen

De onderzoekers begonnen met het opsporen van sterke promotors: DNA-schakelaars die bepalen of een gen wordt afgelezen. Ze vonden een set die in uiteenlopende Clostridia-soorten betrouwbaar werkt, en bouwden daarbovenop een systeem waarmee genexpressie met een chemisch signaal aan- en uitgezet kan worden. Dat maakte het mogelijk om ook CRISPR-Cas-technologie in te zetten om specifieke genen in deze bacteriën definitief uit te schakelen. Waar CRISPR-Cas bij bekende bacteriën als E. coli al jaren gangbaar is, was dat bij nonmodel-Clostridia tot nu toe niet goed mogelijk.

Testen in muizen

Om te laten zien dat het systeem ook buiten het laboratorium werkt, richtten de onderzoekers zich op twee stofjes die darmbacteriën produceren: trimethylamine en deoxycholzuur. Trimethylamine wordt door de lever omgezet in een stof die in verband wordt gebracht met hart- en vaatziekten, terwijl deoxycholzuur een galzuur is dat de vetstofwisseling en leverziekten beïnvloedt. Met het nieuwe gereedschap konden de onderzoekers de productie van trimethylamine door de bacterie Enterococcus bolteae omkeerbaar aan- en uitzetten, zowel in een kweekschaaltje als in de darmen van levende muizen. Daarmee is voor het eerst aangetoond dat je de output van een lastige darmbacterie in een levend dier op commando kunt sturen.

Voor de wetenschap is dit meer dan een technische exercitie. Het opent de deur om één voor één te testen welk bacterieel gen welk effect heeft op de gezondheid van de gastheer, iets wat tot nu toe grotendeels gissen was. Op termijn zien de onderzoekers ook mogelijkheden voor therapeutische toepassingen, waarbij ziekmakende bacteriële processen in de darm gericht worden afgeremd.