Je hebt op dit moment drie tot vijf pond bacteriën in en op je lichaam. Dat zijn zo'n 38 biljoen bacteriën, onderzoekers schatten. Je immuunsysteem moet ze allemaal beheren, het sorteren van de goede van de slechte bugs.

"We hebben een geweldig immuunsysteem om dat allemaal onder controle te houden, en dan om te gaan met pathogene bacteriën, " zegt Catherine Leimkuhler Grimes, assistent-professor scheikunde en biochemie aan de Universiteit van Delaware. "Het is fantastisch als het systeem werkt, maar ook verschrikkelijk als dat niet zo is."

Wanneer een nuttige bacterie ten onrechte als een schadelijke wordt geïdentificeerd, de aanval van het immuunsysteem kan leiden tot chronische ontstekingsziekten zoals astma, Ziekte van Crohn en andere aandoeningen. Waarom deze verkeerde identificatie plaatsvindt, is een mysterie, maar Grimes en haar onderzoeksteam aan de Universiteit van Delaware hebben een veelbelovende nieuwe methode uitgevonden om letterlijk te helpen verlichten wat er gebeurt. Het voorschot wordt gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De cel 'jasje' labelen

Nu terug naar die drie tot vijf pond bacteriën die we met ons meedragen... Veel van het gewicht komt van de celwanden van de bacteriën, of "jassen, " zoals Grimes naar hen verwijst. Stevig, maar flexibel, ze zijn samengesteld uit peptidoglycaan - een gaasachtig polymeer gemaakt van eiwit (peptiden) en suiker (glycaan) moleculen.

Bacteriën verwijderen routinematig fragmenten van hun peptidoglycaanmantel. Wanneer het immuunsysteem deze fragmenten verkeerd leest en gezond weefsel aanvalt, chronische ontstekingsziekten kunnen ontstaan. Maar wetenschappers hebben niet veel oog gehad voor dat proces, tot nu.

Gedurende de afgelopen vier jaar heeft Grimes en haar team hebben ontdekt hoe ze de suikerruggengraat van de celmantel kunnen labelen en verlichten - het eerste laboratorium ter wereld dat dit doet.

"We wilden chemisch een nieuwe bouwsteen maken - zoals een Lego met driehoeken erop in plaats van cirkels - en dit materiaal vervolgens naar de cel voeren, die het zou gebruiken om zijn jasje te bouwen zonder iets anders te beïnvloeden, Grimes legde uit. "Toen het label eenmaal was opgenomen, we dachten dat we er 'zaklampen' op konden zetten, wat ons zou helpen om de celfragmenten te visualiseren en immunostimulerende omgevingen te identificeren."

Niemand had ooit eerder het glycaan zo gelabeld in bacteriën, Grimes zei, opmerkend dat de benadering afkomstig is uit het relatief nieuwe gebied van bioorthogonale chemie, waarin chemische reacties plaatsvinden in een levend systeem zonder de natuurlijke processen van dat systeem te verstoren. Ze blijft zich verbazen over hoe haar studenten - zowel als individuele wetenschappers met unieke sterke punten als als medewerkers - erin slaagden om elke hindernis die ze tegenkwamen te nemen, zelfs toen de vooruitzichten op succes een beetje duister leken.

Teamkracht

Toen het team al vroeg op een grote wegversperring stuitte, promovendus Hai Liang redde de dag, zei Grimes. Hij had net een recent manuscript gelezen uit het laboratorium van Christoph Mayer aan de Universiteit van Tübingen, Duitsland, over hoe bacteriën natuurlijke recyclers zijn.

"Bacteriën zijn erg groen, '" zei Liang. "Ze verbruiken eigenlijk veel energie om dit polymeer - peptidoglycaan - te maken en ze willen de bouwstenen ervan terug."

Liang vertelde het team hoe Mayer's groep twee recycle-enzymen had onthuld, waarvan Liang dacht dat het hun chemisch gemodificeerde bouwsteen mogelijk de cel in zou kunnen escorteren. Maar zou de cel hun ietwat eigenzinnige bouwsteen met de driehoeken erop accepteren?

Promovendus Kristen DeMeester ontwikkelde een synthese om bioorthogonale functionaliteit (de 'driehoeken') - ofwel een alkyn of azide - op de suikerbouwstenen te installeren en testte de reactie van de cellen. De bacteriën vonden het leuk en kregen hun zaklampen.

Ze kwam er ook achter hoe je grote hoeveelheden suikers (glycaan) als grondstof kunt maken.

"Zelfs als ik ga joggen, Ik zou nadenken over hoe ik deze suikers sneller kan maken, "zei DeMeester. "Nu kan ik het in een week doen, en ik leer studenten hoe ze het moeten doen." Haar proces voor het maken van deze verbindingen, en de UD-methode zelf, zijn nu patent aangevraagd.

Medewerkers bieden een duidelijker beeld

Om er zeker van te zijn dat hun methode werkte, Grimes dankt UD's massaspectrometriefaciliteit voor het helpen om hun peptidoglycaan-bouwstenen uit de celmonsters te halen en het fragment te vinden waarnaar ze op zoek waren.

Jeffrey Caplan, directeur van UD's Bio-Imaging Center, trainde het team op de krachtige superresolutiemicroscoop, met zijn 3D-beeldvormingscapaciteit, om de zaklampen te zien die ze op de bacteriële celwand zetten.

"De manier waarop Catherine en haar team direct labelden wat ze wilden zien, met bijna 100 procent specificiteit, was ongelooflijk elegant en opwindend, "Zei Caplan. "We keken eigenlijk in de celwanden, het onthullen van individuele moleculen die aan de suikers zijn bevestigd."

"Zonder Jef, onze bevindingen zouden nooit zijn gebeurd, ' zei Grimes. 'Jeff zette de bril voor ons op.'

Maar hoe beïnvloeden deze gelabelde fragmenten het immuunsysteem? Voer medewerker Michelle Parent in, universitair hoofddocent medische laboratoriumwetenschappen aan de UD, en promovendus Ching-Wen (Sandy) Hou, die met macrofagen werkt - cellen die vreemde lichamen vinden en opeten.

Als je menselijke cellen laat groeien, je wilt niets vies in de buurt. Maar een vuile broedstoof is precies wat Hou nodig had en gebruikte voor het kweken E coli . Na behandeling van deze cellen met macrofagen, ze keek onder de microscoop en zag fragmenten van bacteriën in de macrofaag, samen met stukjes peptidoglycaan.

"We hopen in de toekomst te zien welk fragment de immuunrespons activeert, ' zei Hou.

De nieuwe UD-methode trekt nu al nieuwe medewerkers naar het Grimes-lab. Een studie met onderzoekers van de University of Massachusetts Amherst richt zich op: Mycobacteriën tuberculose , die tuberculose veroorzaakt, terwijl Helicobacter pylori , de bacterie die maagkanker veroorzaakt, is het doelwit van een gezamenlijke inspanning met het Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle.

Een dreamteam

Zeggen dat Grimes trots is op haar onderzoeksteam zou een understatement zijn.

"Om deze afgestudeerde studenten zo naadloos samen te zien werken en hun ego niet in de weg te laten staan ​​- dat is fantastisch, Grimes zei. "Mijn collega's aan andere universiteiten vragen, hoe heb je je leerlingen zo goed laten samenwerken? Ik denk dat dit de beste samenwerking was die ik ooit heb meegemaakt."

Een positief verschil maken, door wetenschap, voor mensen over de hele wereld die lijden aan chronische ontstekingsziekten is het uiteindelijke doel van haar team, zei Grimes. Het vinden van betere therapieën en mogelijke behandelingen zal denkkracht vergen, doorzettingsvermogen en hard werken. En dat is niet alles.

Als je het kantoor van Grimes aan de UD bezoekt, je zult waarschijnlijk de jaarlijkse T-shirts van haar lab aan de muur zien hangen. Op de achterkant van het 2015-model staat een regel waar haar laboratorium naar leeft:"Vertrouw op je gevoel."