Erfolgreiche Bearbeitung von Genen von Darmbakterien bei lebenden Mäusen

Einem Forschungsteam unter der Leitung des synthetischen Biologen Xavier Duportet, Mitbegründer des Biotechnologieunternehmens Eligo Bioscience, ist es gelungen, ein Werkzeug zur Genom-Editierung zu entwickeln, mit dem sich die Bakterienpopulation in der Darmmikrobiota lebender Mäuse verändern lässt.

Erste Experimente zeigten, dass das Tool das Zielgen in über 90 % der Escherichia coli-Kolonien im Darm lebender Mäuse veränderte. Escherichia coli ist eine Bakterienart, die normalerweise im Darm von Menschen und Tieren lebt. Die meisten E. coli-Stämme verursachen vorübergehenden und leichten Durchfall, einige Stämme des Bakteriums können jedoch auch schwerwiegendere Darminfektionen mit Durchfall, Bauchschmerzen und Fieber verursachen.

In früheren Studien wurde das Gen-Editierungssystem CRISPR-Cas bereits eingesetzt, um schädliche Bakterien im Darm von Mäusen abzutöten. Duportet und Kollegen wollten nun die Gene von Bakterien im Darmmikrobiom bearbeiten, ohne sie dabei abzutöten.

Dazu verwendeten die Wissenschaftler eine Methode, bei der eine Nukleotidbase durch eine andere ersetzt wird – beispielsweise ein A durch ein G – ohne den DNA-Doppelstrang zu zerstören. Bisher gelang es den meisten bestehenden Methoden nicht, die Zielbakterienpopulation ausreichend zu verändern, um wirksam zu sein. Dies liegt daran, dass die eingeführten Vektoren nur Zielrezeptoren enthalten, die üblicherweise in im Labor gezüchteten Bakterien vorkommen.

Um dieses Hindernis zu überwinden, entwickelten Duportet und seine Kollegen einen Träger, der Komponenten eines Bakteriophagen – eines bakterieninfizierenden Virus – nutzt, um mehrere im Darm exprimierte E. coli-Rezeptoren zu transportieren. Der Vektor enthält ein „gentechnisches Werkzeug“, das auf bestimmte E. coli-Gene abzielt. Das Team modifizierte das System außerdem, um die Replikation und Verbreitung des übertragenen genetischen Materials im Bakterium zu verhindern.

Das Team führte das grundlegende Werkzeug zur Genomeditierung in Mäuse ein und nutzte es, um ein A in einem E. coli-Gen, das β-Lactamase produziert – ein Enzym, das Bakterien gegen bestimmte Antibiotika resistent macht –, in ein G umzuwandeln. Etwa acht Stunden nach der Behandlung der Tiere waren die Gene von etwa 93 Prozent der Zielbakterien editiert.

Anschließend optimierten die Forscher das Editiersystem, um E. coli-Gene zu modifizieren, die ein Protein produzieren, das vermutlich bei einigen neurodegenerativen und Autoimmunerkrankungen eine Rolle spielt. Der Anteil der editierten Bakterien lag innerhalb von drei Wochen nach der Behandlung der Mäuse bei etwa 70 Prozent. Im Labor konnten die Wissenschaftler das Tool auch nutzen, um Stämme von E. coli und Klebsiella pneumoniae zu editieren, die Lungenentzündungen verursachen können. Dies deutet darauf hin, dass das Editiersystem optimiert werden kann, um verschiedene Bakterienstämme und -arten anzugreifen.

Dieser Erfolg stellt einen „großen Sprung“ in der Entwicklung von Werkzeugen dar, mit denen Bakterien direkt im Darm verändert werden können. Dies eröffnet die Möglichkeit, Krankheiten zu bekämpfen und gleichzeitig die Verbreitung schädlicher DNA zu verhindern.

Der nächste Schritt für Duportet und Kollegen besteht darin, Mausmodelle für durch das Mikrobiom verursachte Krankheiten zu entwickeln, um zu messen, ob bestimmte Genbearbeitungen positive Auswirkungen auf die Gesundheit der Tiere haben.