Des gènes contrôlés par la lumière pourraient révéler l’impact des bactéries intestinales sur la santé –

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  • Meng Wang, chercheuse au Baylor College of Medicine, avait déjà montré que les bactéries qui fabriquent un métabolite appelé acide colanique (AC) pouvaient prolonger la durée de vie des vers dans son laboratoire de 50%, mais sa collaboration avec le biologiste synthétique de l’Université Rice, Jeffrey Tabor, fournit des outils pour répondre à la plus grande question de savoir comment le métabolite donne une vie plus longue.

    Dans une étude publiée dans eLife, Wang, Tabor et leurs collègues ont montré qu’ils pouvaient utiliser différentes couleurs de lumière pour activer et désactiver les gènes des bactéries intestinales pendant que les bactéries se trouvaient dans les intestins des vers. Le travail a été rendu possible grâce à un système de contrôle optogénétique développé par Tabor depuis plus d’une décennie.

    «Le groupe de Meng a découvert que le composé CA pouvait prolonger la durée de vie, mais ils ne pouvaient pas dire avec certitude s’il s’agissait d’un ingrédient alimentaire digéré dans l’estomac ou d’un métabolite produit par des bactéries dans les intestins», a déclaré Tabor, un professeur associé de bio-ingénierie et de biosciences à Rice. “Nous avons pu limiter la production de CA à l’intestin et montrer qu’il avait un effet bénéfique sur les cellules de l’intestin.”

    Pour les expériences, le laboratoire de Tabor a conçu des souches d’E. Coli pour produire du CA lorsqu’elles sont exposées à la lumière verte, mais pas rouge. Pour s’assurer que les bactéries fonctionnaient correctement, l’équipe a ajouté des gènes pour créer différentes couleurs de protéines fluorescentes qui apparaissaient brillamment au microscope. Une couleur était toujours présente, pour permettre de voir facilement où se trouvaient les bactéries à l’intérieur des vers, et une deuxième couleur n’était créée que lorsque les bactéries produisaient du CA.

    En collaboration avec le laboratoire Wang, le laboratoire de Tabor a gardé les bactéries sous une lumière rouge et les a nourries à des vers, une espèce appelée Caenorhabditis elegans (C. elegans) qui est couramment utilisée dans les sciences de la vie. Les chercheurs ont suivi les progrès de la bactérie dans le tube digestif et ont allumé le feu vert lorsqu’ils ont atteint les intestins.

    «Lorsqu’ils sont exposés à la lumière verte, les vers porteurs de cette souche d’E. Coli vivent également plus longtemps. Plus la lumière est forte, plus la durée de vie est longue», a déclaré Wang, titulaire de la chaire Robert C. Fyfe sur le vieillissement, professeur de génétique moléculaire et humaine à le Huffington Center on Aging à Baylor et un enquêteur du Howard Hughes Medical Institute.

    Dans les cellules de C. elegans et d’autres formes de vie d’ordre supérieur, des humains aux levures, des organites spécialisées appelées mitochondries fournissent la majeure partie de l’énergie. Des milliers de mitochondries travaillent 24 heures sur 24 dans chaque cellule et maintiennent un équilibre dynamique entre la fission et la fusion, mais elles deviennent moins efficaces avec le temps. À mesure que les personnes et les autres organismes vieillissent, le dysfonctionnement des mitochondries entraîne un déclin fonctionnel de leurs cellules.

    Dans des expériences antérieures avec C. elegans, Wang et ses collègues ont montré que l’AC peut réguler l’équilibre entre la fission mitochondriale et la fusion dans les cellules intestinales et musculaires pour favoriser la longévité. Les vers vivent généralement environ trois semaines, mais le laboratoire de Wang a montré que CA peut prolonger leur vie à 4,5 semaines – 50% de plus que d’habitude.

    Tabor a déclaré que cela soulève une foule de questions. Par exemple, si l’AC est produite dans l’intestin, les cellules intestinales en bénéficient-elles en premier? L’effet bénéfique de l’AC est-il lié à son niveau? Et le plus important, les avantages mitochondriaux se propagent-ils dans tout le corps à partir des intestins?

    dans le eLife étude, les chercheurs ont découvert que la production de CA dans l’intestin améliorait directement la fonction mitochondriale des cellules intestinales en peu de temps. Ils n’ont pas trouvé de preuves de tels bénéfices mitochondriaux directs à court terme dans les cellules musculaires des vers. Ainsi, l’effet favorisant la longévité de l’AC commence à partir de l’intestin et se propage ensuite dans d’autres tissus au fil du temps.

    «Grâce à notre technologie, nous pouvons utiliser la lumière pour activer la production CA et observer l’effet se propager à travers le ver», a déclaré Tabor.

    Il a déclaré que la précision de la technologie optogénétique pourrait permettre aux chercheurs de poser des questions fondamentales sur le métabolisme intestinal.

    «Si vous pouvez contrôler le moment et l’emplacement de la production de métabolites avec précision, vous pouvez penser à des conceptions expérimentales qui montrent la cause et l’effet», a-t-il déclaré.

    Montrer que les bactéries intestinales ont un impact direct sur la santé ou la maladie serait une réalisation majeure.

    “Nous savons que les bactéries intestinales affectent de nombreux processus dans notre corps”, a déclaré Tabor. «Ils ont été liés à l’obésité, au diabète, à l’anxiété, aux cancers, aux maladies auto-immunes, aux maladies cardiaques et aux maladies rénales. Il y a eu une explosion d’études mesurant les bactéries que vous avez lorsque vous avez cette maladie ou cette maladie, et cela montre toutes sortes de corrélations. “

    Mais il y a une grande différence entre montrer la corrélation et la causalité, a déclaré Tabor.

    “Le but, ce que vous voulez vraiment, ce sont les bactéries intestinales que vous pouvez manger qui amélioreront la santé ou traiteront les maladies”, a-t-il déclaré.

    Mais il est difficile pour les chercheurs de prouver que les molécules produites par les bactéries intestinales causent des maladies ou la santé. C’est en partie parce que l’intestin est difficile d’accès expérimentalement, et il est particulièrement difficile de concevoir des expériences qui montrent ce qui se passe à des endroits spécifiques à l’intérieur de l’intestin.

    “L’intestin est un endroit difficile d’accès, en particulier chez les grands mammifères”, a déclaré Tabor. «Nos intestins mesurent 28 pieds de long et ils sont très hétérogènes. Le pH change d’un bout à l’autre et les bactéries changent de façon assez spectaculaire en cours de route. Il en va de même pour les tissus et ce qu’ils font, comme les molécules qu’ils sécrètent.

    “Pour répondre aux questions sur la manière dont les bactéries intestinales influencent notre santé, vous devez être capable d’activer des gènes à des endroits spécifiques et à des moments particuliers, comme lorsqu’un animal est jeune ou lorsqu’un animal se réveille le matin”, a-t-il déclaré. “Vous avez besoin de ce niveau de contrôle pour étudier les voies sur leur propre terrain, où elles se produisent et comment elles se produisent.”

    Parce qu’elle utilise la lumière pour déclencher des gènes, l’optogénétique offre ce niveau de contrôle, a déclaré Tabor.

    «À ce stade, la lumière est vraiment le seul signal qui ait suffisamment de précision pour activer les gènes bactériens dans le petit par rapport au gros intestin, par exemple, ou pendant la journée mais pas la nuit», a-t-il déclaré.

    Tabor a déclaré que lui et Wang avaient discuté de nombreuses façons d’utiliser l’optogénétique pour étudier le vieillissement.

    “Elle a trouvé deux douzaines de gènes bactériens qui peuvent prolonger la durée de vie de C. elegans, et nous ne savons pas comment la plupart d’entre eux fonctionnent”, a déclaré Tabor. “Les gènes de l’acide colanique sont vraiment intrigants, mais il y en a beaucoup d’autres que nous aimerions activer avec la lumière dans le ver pour comprendre comment ils fonctionnent. Nous pouvons utiliser la technique exacte que nous avons publiée dans cet article pour explorer ces nouveaux les gènes également. Et d’autres personnes qui étudient le microbiome peuvent également l’utiliser. C’est un outil puissant pour étudier comment les bactéries sont bénéfiques pour notre santé. “

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