Bakterie probiotyczne mogą pomóc w wychwytywaniu ołowiu w jelitach

Naukowcy z Worcester Polytechnic Institute sprawdzą, czy odpowiednio wykorzystane bakterie probiotyczne mogą ograniczać wchłanianie ołowiu w przewodzie pokarmowym. Finansowany przez National Institutes of Health projekt ma zbadać, czy bakterie Escherichia coli Nissle mogą wytwarzać cząsteczki wiążące ołów i ułatwiające jego wydalanie. Badania są jednak na bardzo wczesnym etapie i na razie będą prowadzone na modelu Caenorhabditis elegans, a nie u ludzi.

W artykule:

• Dlaczego ołów pozostaje poważnym zagrożeniem dla zdrowia
• Jak bakterie E. coli Nissle mogą pomóc w ograniczeniu wchłaniania ołowiu
• Jaką rolę mają pełnić aptamery
• Dlaczego badacze wykorzystają model C. elegans
• Jak sztuczna inteligencja ma pomóc w projektowaniu bakterii
• Jakie może być znaczenie projektu dla zdrowia publicznego

Ołów nadal stanowi istotne zagrożenie dla zdrowia publicznego

Poszukując nowych sposobów ograniczania skutków narażenia na ołów, naukowcy z laboratorium Natalie Farny w Worcester Polytechnic Institute (WPI) postanowili wykorzystać niewielkie nicienie żywiące się bakteriami. Projekt ma odpowiedzieć na pytanie, czy mikroorganizmy obecne w przewodzie pokarmowym mogłyby zostać wykorzystane jako biologiczna bariera ograniczająca przyswajanie toksycznego metalu.

Natalie Farny, associate professor w Department of Biology and Biotechnology w Worcester Polytechnic Institute, otrzymała grant National Institutes of Health w wysokości 400 753 dolarów na realizację wczesnego etapu badań. Dwuletni projekt ma sprawdzić, czy niechorobotwórcze bakterie mogą działać w przewodzie pokarmowym nicieni Caenorhabditis elegans w sposób prowadzący do związania ołowiu i ograniczenia jego wchłaniania.

Problem ma istotne znaczenie z punktu widzenia zdrowia publicznego. Do ekspozycji na ołów może dochodzić między innymi przez spożywanie zanieczyszczonej wody i żywności oraz połykanie pyłu lub cząstek farb zawierających ten metal. Szczególnie narażone są dzieci. Ołów może przedostawać się również do wody z instalacji zawierających stare przewody i inne elementy infrastruktury.

W przypadku ciężkich zatruć stosowana jest terapia chelatacyjna, polegająca na podawaniu substancji wiążących metal i umożliwiających jego usunięcie z organizmu. Leczenie to jest jednak zasadniczo przeznaczone dla pacjentów z istotnym zatruciem. Jednocześnie nawet stosunkowo niewielka ekspozycja na ołów może mieć niekorzystny wpływ na układ nerwowy, szczególnie w okresie rozwoju dziecka.

E. coli Nissle jako potencjalna biologiczna bariera

Zespół kierowany przez Natalie Farny skoncentruje się na szczepie Escherichia coli Nissle. Jest to niechorobotwórczy szczep bakterii wykorzystywany w preparatach probiotycznych dostępnych poza Stanami Zjednoczonymi, między innymi w zastosowaniach dotyczących zaburzeń przewodu pokarmowego, takich jak biegunka.

Podstawą koncepcji badaczy jest zdolność bakterii do rozpoznawania różnych metali znajdujących się w ich środowisku i reagowania na ich obecność. Naukowcy chcą sprawdzić, czy mechanizmy biologiczne bakterii można wykorzystać w taki sposób, aby ołów znajdujący się w świetle przewodu pokarmowego został związany jeszcze przed jego wchłonięciem przez organizm.

Według Farny potencjalnym długoterminowym zastosowaniem takiej strategii mogłoby być wykorzystanie odpowiednio przygotowanego probiotyku u osób żyjących w środowisku zwiększonego ryzyka ekspozycji na ołów. Szczególną grupą zainteresowania byłyby dzieci. Na obecnym etapie jest to jednak wyłącznie hipoteza badawcza. Projekt nie dostarcza jeszcze dowodów, że podawanie probiotyku może zapobiegać zatruciu ołowiem u człowieka.

Aptamery mają wychwytywać ołów w przewodzie pokarmowym

Jednym z głównych elementów projektu będzie wprowadzenie odpowiednich sekwencji do materiału genetycznego E. coli Nissle, aby bakterie mogły wytwarzać aptamery. Aptamery są krótkimi cząsteczkami kwasów nukleinowych zdolnymi do swoistego wiązania określonych cząsteczek lub jonów.

W omawianym projekcie naukowcy chcą uzyskać aptamery zdolne do wiązania ołowiu. Następnie zmodyfikowane bakterie zostaną podane nicieniom C. elegans wraz z ołowiem. Badacze sprawdzą, czy w przewodzie pokarmowym zwierząt bakterie będą wytwarzały aptamery wychwytujące metal i czy związany ołów będzie następnie usuwany z organizmu wraz z treścią jelitową.

Mechanizm ten można więc traktować jako próbę przechwycenia toksycznego pierwiastka zanim zostanie on wchłonięty przez organizm gospodarza. Projekt ma przede wszystkim ustalić, czy takie podejście jest biologicznie wykonalne.

C. elegans jako model do badania interakcji bakterii i ołowiu

Eksperymenty zostaną przeprowadzone z wykorzystaniem Caenorhabditis elegans. Jest to niewielki, żyjący w glebie nicień mierzący około 1 mm długości, który żywi się bakteriami. Organizm ten jest szeroko wykorzystywany jako model w badaniach genetycznych i neurologicznych.

Zastosowanie C. elegans umożliwi badaczom obserwowanie zależności między bakteriami, związkami wiążącymi ołów i organizmem gospodarza w stosunkowo prostym układzie eksperymentalnym. Pozwoli również ocenić, czy obecność zmodyfikowanych bakterii rzeczywiście może wpływać na ilość ołowiu pozostającego dostępnego do wchłonięcia.

Nie jest to jednak badanie kliniczne ani doświadczenie prowadzone na ludziach. Ewentualne przejście od wyników uzyskanych u nicieni do zastosowania probiotyku u człowieka wymagałoby kolejnych etapów badań przedklinicznych, oceny bezpieczeństwa i skuteczności oraz późniejszych badań klinicznych.

Sztuczna inteligencja pomoże szukać sekwencji wiążących ołów

Równolegle realizowana będzie druga część projektu, za którą odpowiada Dmitry Korkin, profesor informatyki w Worcester Polytechnic Institute. Naukowiec wykorzysta metody sztucznej inteligencji do analizy istniejących sekwencji genetycznych E. coli Nissle.

Celem będzie znalezienie takich fragmentów materiału genetycznego bakterii, które można odpowiednio przeorganizować, aby powstały cząsteczki zdolne do wiązania ołowiu. Podejście to różni się od pierwszej strategii, ponieważ zakłada wykorzystanie informacji już obecnej w genomie bakterii zamiast wprowadzania zupełnie nowych sekwencji genetycznych.

Korkin wskazuje, że algorytmy sztucznej inteligencji mogą analizować bardzo duże zbiory danych genetycznych, wyszukiwać w nich powtarzalne wzorce, a następnie wykorzystywać uzyskane informacje do projektowania biomolekuł. Prognozy generowane komputerowo mogą być następnie testowane eksperymentalnie w laboratorium. Wyniki doświadczeń mogą z kolei służyć do dalszego udoskonalania kolejnych projektowanych cząsteczek.

Taki iteracyjny schemat, łączący analizę komputerową i doświadczenia biologiczne, ma być powtarzany do czasu znalezienia najbardziej wydajnego rozwiązania.

Potencjalne znaczenie dla społeczności narażonych na ołów

Projekt rozwija wcześniejsze prace prowadzone przez laboratorium Natalie Farny. Część badań, w tym projekty realizowane przez studentów, była wcześniej finansowana ze środków przekazanych przez inżyniera Roberta F. Ferrariego, absolwenta WPI i prezesa Northeast Water Solutions Inc., przedsiębiorstwa z Rhode Island zajmującego się inżynierią systemów wodnych.

Farny jest biologiem syntetycznym prowadzącym badania dotyczące problemów środowiskowych. W 2024 roku otrzymała CAREER Award od National Science Foundation na badania nad mechanizmami regulacji genów u bakterii glebowych wykorzystywanych w zastosowaniach przemysłowych i środowiskowych. Jest również współtwórczynią czterech zgłoszeń patentowych związanych z aptamerami.

Badaczka podkreśla, że jednym z powodów podjęcia projektu jest potrzeba poszukiwania metod pozwalających ograniczyć konsekwencje kryzysów związanych z zanieczyszczeniem środowiska ołowiem. Po zidentyfikowaniu źródła ekspozycji podstawowym działaniem pozostaje jego usunięcie. W praktyce proces ten może jednak wymagać czasu, a całkowite uniknięcie kontaktu z ołowiem pochodzącym ze środowiska nie zawsze jest natychmiast możliwe.

W takiej sytuacji naukowcy rozważają, czy w przyszłości możliwe byłoby zastosowanie probiotyku jako dodatkowej formy ochrony, która ograniczałaby ilość metalu wchłanianego z przewodu pokarmowego. Koncepcja ta musi jednak najpierw zostać potwierdzona w badaniach podstawowych.

W praktyce klinicznej

Opisany projekt nie uzasadnia obecnie stosowania jakiegokolwiek preparatu probiotycznego w celu zapobiegania zatruciu ołowiem ani leczenia osób narażonych na ten metal. Badanie dopiero rozpoczyna etap eksperymentalnej oceny koncepcji i będzie prowadzone na modelu C. elegans.

Znaczenie projektu polega przede wszystkim na próbie stworzenia nowej strategii biologicznej, która mogłaby w przyszłości uzupełniać działania polegające na eliminacji źródeł ekspozycji. Niezależnie od wyników badań podstawowym postępowaniem w przypadku zagrożenia ołowiem pozostaje identyfikacja i ograniczenie źródła narażenia.

Projekt otrzymał wsparcie National Institute of Environmental Health Sciences, będącego częścią National Institutes of Health, w ramach grantu R21ES038018. Wysokość finansowania wynosi 400 753 dolarów, a przewidywany okres realizacji badań to dwa lata.

Źródło: Worcester Polytechnic Institute