Construction and Characterization of an mCherry-Labeled Lactiplantibacillus plantarum L3 Strain for Intestinal Distribution Studies

Om te begrijpen waar een probioticum na het doorslikken naartoe gaat, worden wetenschappers geconfronteerd met een moeilijk probleem: de menselijke darm is een donkere, drukke en complexe omgeving. Binnenin leven en werken miljarden natuurlijke bacteriën, wat het bijna onmogelijk maakt om het onderscheid te maken tussen de nuttige bacteriën die iemand als supplement inneemt en de bacteriën die er altijd al waren. Om dit op te lossen, proberen onderzoekers de geïntroduceerde bacteriën vaak te labelen met een zichtbare marker, vergelijkbaar met het plakken van een kleine, lichtgevende sticker op een specifiek dier in een donker bos om zijn pad te volgen. Dit stelt hen in staat om precies te zien waar de geïntroduceerde bacteriën naartoe reizen en hoe lang ze blijven. Het toevoegen van een label kan de bacteriën echter soms anders laten gedragen, en het is niet altijd duidelijk of de lichtgevende bacteriën de zware reis door de maag en de darmen gedurende een lange periode kunnen overleven.

Een team van onderzoekers aan de Heilongjiang Universiteit in China zette zich in om een versie te creëren van een veelvoorkomende probioticum-bacterie, bekend als Lactiplantibacillus plantarum L3, die rood kon gloeien. Ze wilden zien of ze deze bacterie een gen konden laten dragen dat een rood fluorescerend eiwit produceert, een stof die straalt onder specifiek licht, zonder het vermogen van de bacterie om te groeien of te overleven te schaden. Ze wilden ook observeren waar deze lichtgevende bacterie naartoe ging in de darmen van muizen nadat ze hen voor een korte tijd versus een lange tijd waren toegediend. Het doel was om een betrouwbaar hulpmiddel te bous voor het observeren van de beweging van bacteriën door de darm, terwijl ze zorgvuldig controleerden of de lichtgevende tag de natuurlijke vermogens van de bacterie veranderde.

De wetenschappers begonnen met het invoegen van een specifiek stuk genetisch materiaal in de bacterie. Dit materiaal bevatte de instructies voor het maken van het rode fluorescerende eiwit, samen met een schakelaar die de onderzoekers in staat stelde om het gloeien alleen aan te zetten wanneer zij dat wilden. Ze creëerden succesvol een nieuwe versie van de bacterie, die ze mCherry-L3 noemden. Toen ze deze nieuwe stam testten, ontdekten ze dat deze helderrood gloeide onder een microscoop, precies zoals ze hadden gehoopt. De vorm van de bacteriën bleef hetzelfde, er zagen ze uit als kleine staafjes, en ze groeiden met dezelfde snelheid als de oorspronkelijke, ongewijzigde bacteriën. Dit was een cruciale bevinding, aangezien dit betekende dat de lichtgevende tag de bacteriën niet vertraagde of hun basisstructuur veranderde. De onderzoekers controleerden ook of de bacteriën een gesimuleerde reis door het menselijke spijsverteringsstelsel konden overleven, waarbij ze passeren door omstandigheden die speeksel, maagzuur, gal en darmvloeistoffen nabootsen. De lichtgevende bacteriën overleefden deze tests even goed als de oorspronkelijke bacteriën, wat aantoonde dat de tag hen niet kwetsbaarder maakte.

De onderzoekers merkten echter één verandering op in het gedrag van de bacteriën. Hoewel de lichtgevende bacteriën nog steeds in staat waren om verschillende soorten schadelijke microben te bestrijden, werden ze aanzienlijk minder effectief in het stoppen van een specifieke microbe genaamd Staphylococcus aureus. Dit suggepereerde dat hoewel de bacteriën gezond en robuust bleven, het proces van het laten gloeien van de bacteriën een van hun specifieke chemische verdedigingen had veranderd. Ondanks deze kleine verandering bleken de lichtgevende bacteriën zeer stabiel. De onderzoekers kweekten hen in een laboratorium gedurende 98 generaties, wat vergelijkbaar is met het doorgeven van de bacteriën door bijna honderd families. Zelfs na al die tijd gloeiden de bacteriën nog steeds rood en bleven de genetische instructies voor de gloed intact. Dit bevestigde dat de bacteriën de lichtgevende tag gedurende een lange tijd konden dragen zonder deze te verliezen.

Om te zien waar deze bacteriën in een levend lichaam naartoe gingen, voerden de onderzoekers de lichtgevende bacteriën aan muizen. Ze verdeelden de muizen in twee groepen: de ene groep ontving de bacteriën gedurende vier dagen, en de andere groep ontving ze dagelijks gedurende acht weken. Nadat de voeding met de bacteriën stopte, onderzochten de wetenschappers de darmen van de muizen. Bij de muizen die slechts vier dagen waren gevoed, was de rode gloed het sterkst in het eerste deel van de dunne darm, bekend als het duodenum, met ook enige lichte zichtbaarheid in de dikke darm en een sectie genaamd de cecum. Dit toonde aan dat de bacteriën succesvol de darm hadden bereikt en aanwezig waren in verschillende gebieden.

Bij de muizen die acht weken lang waren gevoed, was het beeld anders. De rode gloed was niet alleen in één of twee plekken aanwezig; het was veel breder verspreid door de gehele darmtractus. Het licht leek gelijkmatiger en meer verspreid over het hele systeem. Deze observatie suggereerde dat de bacteriën, bij herhaalde voeding over een langere periode, in grotere aantallen aanwezig waren in de gehele darm. De onderzoekers waren echter voorzichtig in hun uitleg over wat dit niet bewees. Omdat de muizen nog steeds de bacteriën kregen tijdens het onderzoek, toonde het lichtgevende gloeien aan waar de bacteriën zich op dat exacte moment bevonden, maar het bewees niet dat de bacteriën zich permanent hadden gevestigd of dat ze daar zouden blijven als de voeding zou stoppen. De studie toonde aan dat de bacteriën gevolgd konden worden en dat ze zich verder verspreidden bij langere voeding, maar het bevestigde niet dat ze een permanente woning in de darm hadden gevestigd.

Het werk biedt een duidelijke en nuttige methode voor het observeren van hoe probiotische bacteriën door het spijsverteringsstelsel bewegen. Door een bacterie te creëren die rood gloeit zonder hun groei- of overlevingsvaardigheden te veranderen, gaven de onderzoekers wetenschappers een nieuwe manier om de darmomgeving te visualiseren. De studie toonde aan dat hoewel de lichtgevende bacteriën bijna exact hetzelfde gedroegen als de oorspronkelijke bacteriën, ze een klein deel van hun vermogen om één specifieke soort microbe te bestrijden, verloren. De resultaten benadrukten ook dat de locatie en verspreiding van de bacteriën afhangen van hoe lang ze worden gevoed, waarbij een langere voedingsperiode leidt tot een bredere distributie. Hoewel de studie niet bepaalde of deze bacteriën de darm permanent konden koloniseren of dat ze langetermijngezondheidsvoordelen zouden bieden, heeft het succesvol aangetoond een betrouwbare manier te zijn om hen te volgen, wat een fundament biedt voor toekomstig onderzoek naar hoe bacteriën met het menselijk lichaam interageren.