Co-culture of probiotic bacteria for growth factor delivery in minigut organoids

Iowa State University, Ames IA

Investigators

Linked publications, trials & patents

Abstract

PROJECT SUMMARY    Interactions between gut bacteria and intestinal cells have been implicated in many human  diseases including inflammatory bowel disease, diabetes,metabolic syndrome, and many more.  Currently, gnotobiotic animal models are the gold standard for testing and understanding these  interactions, but animal experiments are costly and gnotibiotic colonies require large amounts of  resources. We propose that cultured intestinal organoids or miniguts can be used as an  intermediate environment in whichbacteria can be cultured and the effect of bacterial culture  and secretion on mammalian gene expression can be monitored at relatively shorter times and  lower costs. Our approach is to co-­culture engineered probiotic bacteria to accurately monitor  and actively influence the development of intestinal epithelial cells in 3D culture.    We propose to develop this technology via the following Specific Aims:  Aim 1: Establish real-­time phenotypic characterization of cell differentiation in miniguts  by engineered whole-­cell biosensors.  We will develop whole cell biosensors for intestinal  secretions such as chloride and serotonin using engineered probiotic E. coli bacteria. The  rationale behind this aim is that secretion of these molecules is an indication of proper  differentiation of intestinal stem cells into distinct cell types. The biosensor with fluorescent  output will operate in real-­time which will allow dynamic visualization of secretion phenotypes by  fluorescence microscopy.    Aim 2: Alter minigut growth by secretion of small molecules and growth factors from  commensal bacteria. We will engineer probiotic bacteria to deliver molecules that negatively  and positively influence the proliferation of stem cells in 3D culture. The rationale of this aim is  that secretion of butyrate, a key metabolite, is naturally microbially-­driven in the gut and the  effect of microbial butyrate production on gut cells is profound. In addition, we wish to study  positive regulation of growth by bacterial secretion the growth factor R-­spondin-­1 in the minigut  lumen.    Taken together, successful implementation of these aims will develop a robust co-­culture  platform for the optimization of 3D organoid cultures and the study of host-­microbe interactions.