Ein umprogrammiertes Bakterium zur Erforschung der Mikrobiota von Bienen

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Ein umprogrammiertes Bakterium kann den Darm von Bienen besiedeln und fluoreszie
Ein umprogrammiertes Bakterium kann den Darm von Bienen besiedeln und fluoresziert, wenn es ein Molekül von Interesse (in diesem Fall ein Molekül namens IPTG) aufspürt. Audam Chhun, DMF-UNIL

Wissenschaftlern der Universität Lausanne ist es gelungen, ein Bakterium umzuprogrammieren, das nun ein bestimmtes Molekül im Darm einer Biene aufspüren und als Reaktion darauf ein fluoreszierendes Protein produzieren kann, das unter dem Mikroskop beobachtet werden kann.

Die Gesamtheit der Mikroorganismen im Darm, die sogenannte Darmmikrobiota, spielt eine Schlüsselrolle bei unserer Entwicklung und Gesundheit. Die Interaktionen zwischen diesen Mikroorganismen und ihren Wirten zu verstehen, ist nicht einfach, da die Darmumgebung komplex und vor allem schwer zugänglich ist. Sie nicht-invasiv untersuchen zu können, um die Myriaden von molekularen Informationen, die sich dort befinden, zu erkennen und zu messen, bleibt eine echte Herausforderung.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Yolanda Schaerli und ihrem Kollegen Philipp Engel , beide assoziierte Professoren an der Abteilung für grundlegende Mikrobiologie (DMF) der Fakultät für Biologie und Medizin der Universität Lausanne, haben dieses Problem überwunden, indem sie natürlich vorkommende Darmbakterien genetisch so umprogrammiert haben, dass sie als Biosensoren in situ fungieren.

Eine einfache, aber wertvolle Mikrobiota

Im Vergleich zur menschlichen Darmmikrobiota, die aufgrund ihrer Vielfalt sehr komplex ist, ist die Mikrobiota der Honigbiene relativ einfach, da sie nur sehr wenige Bakterienarten umfasst. Dennoch ist sie für die Gesundheit der Biene lebenswichtig, was sie zu einem vielversprechenden Modellsystem für die Untersuchung der Interaktionen zwischen der Darmmikrobiota und ihrem Wirt macht. Obwohl die Biene eine wichtige Bestäubungsart für natürliche Ökosysteme und die Landwirtschaft ist, ist ihre Population in den letzten Jahren dramatisch zurückgegangen, was unter anderem auf die Zunahme von Viren und Parasiten sowie den unvernünftigen Einsatz von Pestiziden zurückzuführen ist", warnt Philipp Engel. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, mehr über die komplexen Interaktionen zwischen Wirten und Mikrobiota zu erfahren.

Bakterielle Biosensoren hätten bei dieser Aufgabe eine große Hilfe sein können, aber der Mangel an Methoden zur nichtinvasiven Probenahme des Darminhalts von Bienen sowie die wenigen verfügbaren genetischen Werkzeuge zur Veränderung der Darmbakterien haben ihre Entwicklung bisher behindert.

Eine stabile Besiedlung des Darms

In einer Studie, die in der Ausgabe vom 5. März 2024 der Zeitschrift PLOS Biology veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler aus Lausanne im Rahmen des NCCR Microbiomes , einen vielseitigen molekularen Werkzeugkasten zur genetischen Veränderung der Symbionten der Honigbiene gebaut. So gelang es ihnen, zum ersten Mal bei diesem Insekt eine Technik zur Entnahme von Kotproben zu entwickeln. Wir haben ein einheimisches Bakterium aus dem Darm der Biene, Snodgrassella alvi, genetisch umprogrammiert, um es zu einem Biosensor für ein synthetisches Zuckerderivat (IPTG) zu machen", erläutert Yolanda Schaerli, Co-Leiterin der Studie. Die Bienen wurden dann im Labor mit diesen veränderten Bakterien gefüttert. ’Wir beobachteten, dass diese in der Lage waren, den Darm stabil zu besiedeln. Sie fanden sich in den Fäkalien der kolonisierten Individuen. Die Anwesenheit von IPTG im Bienenfutter wird durch die Expression eines fluoreszierenden Proteins angezeigt, das unter dem Mikroskop beobachtet werden kann’, berichtet DrSc. Audam Chhun, Postdoktorand im Team von Pre Schaerli und Erstautor des Artikels. Die Fluoreszenzablesung kann nicht nur nicht-invasiv in Fäkalien, sondern auch direkt im Darmgewebe gemessen werden.

Beantwortung weiterer Fragen

Dieser Grundsatzbeweis zeigt das Potenzial der genetischen Umprogrammierung von Bienen-Darmbakterien als diagnostische Werkzeuge. Diese könnten in Zukunft potenziell so verändert werden, dass sie andere Signale wie Pestizide, Viren und Parasiten erkennen und so helfen, grundlegende Fragen in der Forschung über die Wirtsmikrobiota und die Gesundheit der Bienen zu beantworten’, schließt Yolanda Schaerli.