彼らは細菌を「ハッキング」してリアルタイムで病気を検出することに成功している

明日、あなたが長年苦しんでいる消化器系の問題を即座に診断してくれるカプセルを飲めると想像してみてください。このタブレットを服用した後、システムはあなたがどのような障害を持っているかを検出し、それに応じてあなたが苦しんでいる症状を軽減するために行動する可能性があります。この未来的な錠剤は伝統的な薬で構成されているわけではありませんが、その成分は有用であると同時に目に見えない生き物、つまり細菌です。彼らのおかげで、患者は病気をリアルタイムで診断し、直接治療できる本物の生物学的センサーを使用できるようになりました。この想像上の状況は、私たちが思っているよりもはるかに近いものです。

ハーバード大学のチームは、消化器系に影響を与える病気を診断できるように細菌を「ハッキング」することに成功した。科学者たちは、微生物である大腸菌の遺伝子回路を再プログラムして、腸内の炎症の問題を検出する生物学的センサーに変えることが可能であることを示しました。これらの障害は通常、炎症や重度の腹痛、体重減少、発熱などの症状を引き起こす潰瘍性大腸炎やクローン症候群などの疾患で現れます。今回発表された進歩により、これらの疾患やがんなどのさまざまな病状の診断と治療が改善される可能性があります。

微生物がセンサーに変わる

パメラ・シルバー博士率いるグループは、実験に使用されたマウスが受けた炎症を検出できるように細菌の遺伝回路を操作した。科学者らは、生物学的センサーが構築されれば、マーカーとして機能するテトラチオン酸と呼ばれる物質の存在を研究することで、炎症を診断できるようにすることを目指した。これを行うために、研究者らは 2 種類の動物モデルを使用しました。一方で、検査されたマウスの一部はサルモネラ病原体に感染していました。一方、2番目のグループのげっ歯類は、インターロイキン-10と呼ばれるタンパク質が欠如しているため、慢性炎症に悩まされていました。

次に、研究者らは非常に洗練された遺伝子回路を設計し、それを細菌の内部に挿入した。目的は、微生物がテトラチオン酸の存在を検出するとシステムを活性化し、遺伝子が安定した方法で「オン」になることです。言い換えれば、このメカニズムは、あたかも銃が環境内の縫いぐるみ人形の存在を自動的に検出したかのように機能します。存在する場合、武器は発砲し、火薬の存在を追跡することで発砲したかどうかを判断することができます。科学者たちが設計した遺伝回路も同様に機能しますが、彼らの場合のみ、マウスの糞便中に存在する微生物を分析することで、炎症のマーカーであるテトラチオン酸塩の有無が判明しました。

「研究は非常に優れています。細菌が内因的に生成された分子に反応することができたのは初めてです」と国立センターの生物医学応用のための細菌工学研究グループの責任者であるルイス・アンヘル・フェルナンデス博士はニューロストリームに説明する。バイオテクノロジー学（CNB-CSIC）。 Nature Biotechnologyの研究には参加していないこの科学者は、特定の化合物の存在に反応する生物学的センサーを開発するというアイデアはまったく新しいものではないことを強調しています。たとえば、スペインの研究者ビクトル・デ・ロレンソのグループは、環境中にトルエンとして知られる汚染物質が存在すると回路を活性化する細菌を設計することができた。

しかし、微生物を生物医学に応用することは、より革新的な応用です。フェルナンデス教授は、研究者らは胃腸管に定着し、一度「ハッキング」されると炎症プロセスの存在下で生成される分子を検出できる細菌の一種である大腸菌を使用したと指摘している。 「その後、動物の糞便を分析することで、酵素活性があるかどうか、つまり微生物が分子を『感じて』それを記録できるかどうかがわかります」と彼は言う。研究者らは、将来的には病気のリアルタイム診断が可能になることを期待している。 「それは可能ですが、それはより複雑です。細菌に簡単に監視できる化合物を生成させる必要があります」とフェルナンデス氏は明確にします。たとえば、微生物が糞便や尿の色の変化を引き起こす物質を合成した場合、この種の検出を実行することが可能です。

細菌による治療の可能性は？

Nature Biotechnologyに掲載された結果は、マウスの腸に 200 日以上定着する微生物を使用することが可能であることを示しています。同様に、ハーバード大学の科学者らは、細菌ゲノムの大規模な配列決定後に検証されたように、設計された遺伝子回路が安定していることを証明しました。これは、生物学的センサーを使用して哺乳類の病気を生体内で検出する最初の研究です。フェルナンデス氏の意見では、最も難しい部分（回路のエンジニアリング）はすでに完了しているため、このアプローチは私たちが考えるよりも短時間で人間を対象に研究できるとのことです。 「菌株を変えて、人間の体内によく定着する微生物を使用する必要があるだろう」と彼は主張する。そこから、科学者はバイオセンサーが安全で適切に機能するかどうかを判断する必要があります。

さらに、医学における生物学的センサーとしての細菌の使用に関しては、他にも 2 つの未解決の課題があります。一方では、CNB-CSICの研究者は、微生物が腫瘍細胞によって分泌される分子を検出できれば、このアプローチは癌の早期診断に使用できる可能性があると指摘しています。一方、重要な課題は、センサーがテトラチオン酸塩などの分子を登録できるだけでなく、細菌が問題に対処するための化合物を分泌できるようにすることである。 Nature Biotechnologyで紹介された事例では、炎症マーカーを検出するだけでなく、微生物自体が抗炎症分子を放出して問題を解決できることが理想的です。しかし、今日発表された研究は、これらの生物学的センサーを医療に応用するための最初のステップです。他の動物モデルを用いた研究や人間を対象とした試験で安全性と有効性を実証できれば、おそらく将来的にはこの種のシステムを臨床現場で定期的に目にすることができるようになるでしょう。