توسعه باکتری‌هایی که حال انسان را خوب می‌کنند!

برخی از میلیارد‌ها باکتری که در روده ما ساکن هستند، انتقال‌دهنده‌های عصبی را تولید می‌کنند که مسئول اعصاب، اضطراب و سرخوشی ما هستند. هنگامی که تعداد این انتقال‌دهنده‌های عصبی به اندازه کافی نباشد یا بیش از اندازه باشد، سلامت روانی به خطر می‌افتد.

"تائه سوک مون" (Tae Seok Moon)، استادیار "مدرسه مهندسی مککلوی" (McKelvey School of Engineering) در "دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس" (WUSTL) گفت که شخصا این عدم تعادل را تجربه کرده است و اکنون برای برطرف کردن آن تلاش می‌کند. ایده مون، توسعه باکتری‌های دستکاری شده ژنتیکی است که می‌توانند تولید مواد شیمیایی را از درون روده کنترل کنند و هرگونه عدم تعادل را برطرف سازند.

به گفته مون، حفظ تعادل انتقال‌دهنده‌های عصبی، کار دشواری به شمار می‌رود، اما او این کار را آغاز کرده است. مون در سال ۲۰۱۷، کمک هزینه‌ای را دریافت کرد تا یک باکتری پروبیوتیک را طراحی کند که هدف آن محافظت از افراد در برابر اثرات منفی افزایش آدرنالین است.

روش مون، توسعه یک حسگر باکتریایی است که می‌تواند مواد شیمیایی خاصی را در روده تشخیص دهد. مون در آزمایشگاه خود، روی حسگر‌های مشابهی کار می‌کند تا نهایتا به مهندسی یک سیستم مولکولی با حسگر‌های متفاوت بپردازد. او حسگر‌هایی را نیز برای تشخیص دما، پی‌اچ، سطح اکسیژن، نور، آلاینده‌ها و سایر مواد شیمیایی مرتبط با بیماری ابداع کرده است.

مون نخستین کسی نیست که چنین حسگر‌هایی را ابداع می‌کند، اما در بیشتر حسگر‌هایی که تاکنون ابداع شده‌اند، عدم تشخیص وجود داشته است. این حسگر‌ها ممکن است در تمایز قائل شدن میان مولکول‌هایی با ساختار مشابه، مشکل داشته باشند. مون ادامه داد: تشخیص، یکی از چالش‌های بزرگ در مهندسی به شمار می‌رود، اما ما ثابت کرده‌ایم که این کار امکان‌پذیر است.

پژوهشگران توانستند کار خود را با یک مسیر حسگر آغاز کنند که به طور طبیعی در باکتری‌ها یافت می‌شود. " آستین روتینگهاوس" (Austin Rottinghaus)، دانشجوی مقطع دکتری در آزمایشگاه مون و سایر اعضای آزمایشگاه، از مدل‌سازی رایانه‌ای برای بررسی این موضوع استفاده کردند که جهش‌ها چگونه بر حساسیت مسیر تأثیر می‌گذارند. آن‌ها توانستند یک مسیر حسگر را ایجاد کنند که فقط نسبت به مولکول‌های مورد نظر حساس باشد.

حسگر‌ها در باکتری‌های "اشریشیا کلی" (E.coli) گنجانده شدند و باکتری‌ها را به شکارچی‌های دقیق تبدیل کردند. باکتری‌ها توانستند بین دو مولکول مشابه موسوم به "فنیل‌آلانین" (Phenylalanine) و "تیروزین" (Tyrosine) که به ترتیب با اختلالات "فنیل کتونوری" (PKU) و "تیروزینمی نوع دو" (Tyrosinemia) مرتبط هستند، تمایز قائل شوند.

پژوهشگران، حسگر‌هایی را نیز برای "فنتیل‌آمین" (Phenethylamine) و "تیرامین" (Tyramine) ابداع کردند که ساختار مشابهی دارند و هر دو در غذا و روده یافت می‌شوند.

با اثبات این مفهوم، آزمایشگاه مون اکنون می‌تواند روی توسعه یک محرک کار کند؛ پروتئینی که براساس اطلاعات جمع‌آوری شده توسط حسگر عمل می‌کند. به عنوان نمونه، فنیل کتونوری، یک بیماری ژنتیکی است که به تجمع بیش از اندازه فنیل‌آلانین در نوزادان منجر می‌شود. یک باکتری کاملا مهندسی شده ممکن است حسگری برای تشخیص آمینواسید و همچنین یک محرک داشته باشد که در صورت بالا بودن سطح فنیل‌آلانین می‌تواند آن را تجزیه کند.

فایده این نوع ارگانیسم‌های مهندسی شده می‌تواند فراتر از شرایط پزشکی باشد. این ارگانیسم‌ها را می‌توان برای نظارت بر کیفیت غذا یا تنظیم مسیر‌هایی برای مهندسی متابولیک میکروبی، فرآیند‌های مورد استفاده برای ساخت بسیاری از داروها، سوخت‌ها یا سایر مواد شیمیایی مورد استفاده قرار داد.

با وجود این، مون به دلیل تجربیات خود، به باکتری‌هایی علاقه دارد که می‌توانند سطح انتقال‌دهنده‌های عصبی را در روده حس کنند. مون گفت: اگر سطح انتقال‌دهنده‌های عصبی بیش از اندازه بالا باشد، باکتری‌ها آنزیمی را تولید می‌کنند که ماده شیمیایی مورد نظر را تجزیه می‌کند. اگر سطح انتقال‌دهنده‌های عصبی بیش از اندازه پایین باشد، باکتری‌ها آنزیمی را تولید می‌کنند که می‌تواند مقدار بیشتری از انتقال‌دهنده‌های عصبی را تولید کند.

حدود ۹۵ درصد از هورمون سروتونین، توسط باکتری‌های روده ساخته می‌شود. مون اضافه کرد: هنگامی که این هورمون و سایر پیام‌رسان‌های عصبی از کار بیفتند، ممکن است شخص آسیب ببیند. او می‌خواهد به این رنج پایان دهد و این آغاز راه‌حل مهندسی ما است.

این پژوهش، در مجله "Cell Systems" به چاپ رسید.