Mærkning af en bakteriecellejakke:Team opfinder en videnskabelig metode til at spore celler impliceret i immunsygdomme

Du har tre til fem kilo bakterier, der bor i og på din krop lige nu. Det er omkring 38 billioner bakterier, forskere vurderer. Dit immunsystem skal styre dem alle, sortere det gode fra de dårlige fejl.

"Vi har et fantastisk immunsystem til at holde det hele i skak, og derefter at håndtere patogene bakterier, " siger Catherine Leimkuhler Grimes, assisterende professor i kemi og biokemi ved University of Delaware. "Det er fantastisk, når systemet fungerer, men også forfærdeligt, når det ikke gør det."

Når en gavnlig bakterie fejlagtigt identificeres som en skadelig bakterie, immunsystemets angreb kan udløse kroniske inflammatoriske sygdomme som astma, Crohns sygdom og andre lidelser. Hvorfor denne fejlidentifikation opstår er et mysterium, men Grimes og hendes forskerhold ved University of Delaware har opfundet en lovende ny metode til bogstaveligt talt at hjælpe med at belyse, hvad der sker. Forskuddet offentliggøres i Naturkommunikation .

Mærkning af cellen 'jakke'

Nu tilbage til de tre til fem kilo bakterier, vi bærer rundt på... Meget af vægten kommer fra bakteriens cellevægge, eller "jakker, " som Grimes henviser til dem. Fast, men alligevel fleksibel, de er sammensat af peptidoglycan - en mesh-lignende polymer lavet af protein (peptider) og sukker (glycan) molekyler.

Bakterier udrydder rutinemæssigt fragmenter af deres peptidoglycan-jakke. Når immunsystemet fejllæser disse fragmenter og angriber sundt væv, kroniske inflammatoriske sygdomme kan opstå. Men forskerne har ikke haft meget øje med den proces, indtil nu.

I løbet af de sidste fire år har Grimes og hendes team har fundet ud af, hvordan man mærker og tænder sukkerrygraden i cellejakken - det første laboratorium i verden, der gør det.

"Vi ønskede kemisk at lave en ny byggeklods - som en Lego med trekanter på toppen i stedet for cirkler - og derefter føre dette materiale til cellen, som ville bruge den til at bygge sin jakke uden at påvirke noget andet, " forklarede Grimes. "Når etiketten blev indarbejdet, vi regnede med, at vi kunne sætte 'lommelygter' på det, som ville hjælpe os med at visualisere cellefragmenterne og begynde at identificere immunstimulerende miljøer."

Ingen havde nogensinde mærket glycanen sådan inde i bakterier før, Grimes sagde, bemærker, at tilgangen kommer fra det relativt nye felt af bioortogonal kemi, hvor kemiske reaktioner udføres i et levende system uden at forstyrre systemets naturlige processer. Hun fortsætter med at undre sig over, hvordan hendes elever – både som individuelle videnskabsmænd med unikke styrker og som samarbejdspartnere – formåede at rydde enhver forhindring, de mødte, selv når udsigterne til succes virkede lidt svage.

Holdkraft

Da holdet tidligt ramte en større vejspærring, Ph.d.-studerende Hai Liang reddede dagen, sagde Grimes. Han havde lige læst et nyligt manuskript fra Christoph Mayers laboratorium ved universitetet i Tübingen, Tyskland, om hvordan bakterier er naturlige genbrugere.

"Bakterier er meget grønne, "Sagde Liang." De bruger faktisk meget energi på at skabe denne polymer - peptidoglycan - og de vil have dens byggesten tilbage. "

Liang fortalte holdet, hvordan Mayers gruppe havde afsløret to genbrugsenzymer, som Liang troede potentielt kunne eskortere deres kemisk modificerede byggesten ind i cellen. Men ville cellen acceptere deres lidt skæve byggeklods med trekanter ovenpå?

Doktorand Kristen DeMeester udviklede en syntese til at installere bioortogonal funktionalitet ("trekanterne") - enten en alkyn eller azid - på sukkerbyggestenene og testede reaktionen fra cellerne. Bakterierne kunne lide det og fik deres lommelygter.

Hun fandt også ud af, hvordan man fremstiller store mængder sukker (glycan) som råstof.

"Selv når man går en joggetur, Jeg ville tænke på, hvordan man laver disse sukkerarter hurtigere, " sagde DeMeester. "Nu kan jeg gøre det om en uge, og jeg underviser studerende, hvordan man gør det." Hendes proces til fremstilling af disse forbindelser, og selve UD-metoden, er nu patentanmeldte.

Samarbejdspartnere giver et klarere overblik

For at sikre, at deres metode virkede, Grimes krediterer UD's Mass Spectrometry Facility for at hjælpe med at pirre deres peptidoglycan-byggesten fra celleprøverne og finde det fragment, de ledte efter.

Jeffrey Caplan, direktør for UD's Bio-Imaging Center, trænede holdet i det højtydende superopløsningsmikroskop, med dens 3-D billeddannelseskapacitet, at se de lommelygter, de sætter på bakteriecellevæggen.

"Den måde Catherine og hendes team direkte mærkede, hvad de ønskede at se, med næsten 100 procent specificitet, var utrolig elegant og spændende, "Sagde Caplan." Vi så faktisk inde i cellevæggene, afslører individuelle molekyler knyttet til sukkerarterne."

"Uden Jeff, vores fund ville aldrig være sket, " sagde Grimes. "Jeff tog brillerne på for os."

Men hvordan påvirker disse mærkede fragmenter immunsystemet? Indtast samarbejdspartner Michelle Parent, lektor i medicinsk laboratoriefag ved UD, og doktorand Ching-Wen (Sandy) Hou, der arbejder med makrofager - celler, der finder og spiser fremmedlegemer.

Når du dyrker menneskelige celler, du vil ikke have noget beskidt omkring dig. Men en beskidt inkubator er præcis, hvad Hou havde brug for og brugt til dyrkning E coli . Efter at have behandlet disse celler med makrofager, hun kiggede under mikroskopet og kunne se fragmenter af bakterier inde i makrofagen, sammen med klumper af peptidoglycan.

"Vi håber at se, hvilket fragment der aktiverer immunresponset i fremtiden, " sagde Hou.

Den nye UD-metode tiltrækker allerede nye samarbejdspartnere til Grimes-laboratoriet. En undersøgelse med forskere ved University of Massachusetts Amherst fokuserer på Mycobacteria tuberculosis , som forårsager tuberkulose, mens Helicobacter pylori , bakterien, der forårsager mavekræft, er målet for en fælles indsats med Fred Hutchinson Cancer Research Center i Seattle.

Et drømmehold

At sige, at Grimes er stolt af sit forskerhold, ville være en underdrivelse.

"At se disse kandidatstuderende arbejde sammen så problemfrit og ikke lade deres egoer komme i vejen - det er fantastisk, " sagde Grimes. "Mine kolleger på andre universiteter spørger, hvordan fik du dine elever til at arbejde så godt sammen? Jeg synes, at dette var det bedste samarbejde, jeg nogensinde har oplevet. "

At gøre en positiv forskel, gennem videnskab, for mennesker over hele kloden, der lider af kroniske inflammatoriske sygdomme, er hendes teams ultimative mål, sagde Grimes. At finde bedre behandlinger og potentielle helbredelser vil kræve hjernekraft, vedholdenhed og hårdt arbejde. Og det er ikke alt.

Hvis du besøger Grimes' kontor på UD, du vil sandsynligvis se hendes laboratoriums årlige T-shirts hænge på væggen. På bagsiden af ​​2015-modellen er en linje, hendes laboratorium lever efter:"Stol på din mavefornemmelse."