萊斯的合成生物學(xué)家設(shè)計(jì)了能夠感知結(jié)腸炎的腸道細(xì)菌，結(jié)腸炎是一種結(jié)腸炎癥。這項(xiàng)研究指出了一種新的實(shí)驗(yàn)方法，以研究腸道細(xì)菌和人類宿主如何在分子水平上相互作用，并最終導(dǎo)致口服可攝入細(xì)菌來(lái)監(jiān)測(cè)腸道健康和疾病。
該研究發(fā)表在《分子系統(tǒng)生物學(xué)新研究》上，涉及水稻生物工程與生物科學(xué)助理教授杰弗里塔博爾實(shí)驗(yàn)室的一系列突破，以及貝勒醫(yī)學(xué)院合作者羅伯特布里頓和諾亞施羅德的重要貢獻(xiàn)。Tabor的團(tuán)隊(duì)，包括主要合著者和博士后研究員Kristina Daeffler，確定了第一個(gè)與炎癥相關(guān)的新生物標(biāo)志物的基因編碼傳感器，將該傳感器的基因插入到研究充分的腸道細(xì)菌中，并與Shroyer和Britton合作使用工程菌檢測(cè)小鼠結(jié)腸炎癥。
塔博爾說(shuō)：“腸道含有數(shù)萬(wàn)億的微生物，它們?cè)诮】岛图膊≈邪l(fā)揮著關(guān)鍵作用。”“然而，這是一個(gè)黑暗且相對(duì)難以接近的地方，很少有技術(shù)可以用來(lái)詳細(xì)研究這些過(guò)程。另一方面，細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出成千上萬(wàn)個(gè)基因編碼的傳感器，其中許多能感知腸道連接分子。因此，基因工程傳感器細(xì)菌在研究腸道和診斷腸道疾病方面具有巨大的潛力?！?
像塔博爾這樣的合成生物學(xué)家專門(mén)研究細(xì)菌等單細(xì)胞生物，就像工程師為機(jī)器人編程一樣。特別是，Tabor的團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)能夠檢測(cè)腸道疾病信號(hào)的細(xì)菌傳感器。像為電線和電子元件構(gòu)建電路的電氣工程師一樣，塔博爾的團(tuán)隊(duì)使用遺傳電路為單細(xì)胞生物編程，以進(jìn)行復(fù)雜的信息處理。
此前的研究表明，腸道菌群、遺傳易感性和其他環(huán)境因素的變化可能在炎癥性腸病(包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，影響多達(dá)160萬(wàn)美國(guó)人。
“基于之前的一些研究，我們假設(shè)在結(jié)腸炎期間硫代硫酸鹽分子可能會(huì)增加，”Daeffler說(shuō)?！翱茖W(xué)家很難研究這種聯(lián)系，因?yàn)闆](méi)有工具可以可靠地測(cè)量活動(dòng)物體內(nèi)的硫代硫酸鹽。我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中的第一個(gè)目標(biāo)是設(shè)計(jì)這樣一個(gè)工具?！?
Daeffler說(shuō)，從2015年的項(xiàng)目開(kāi)始，想法是使用傳感器細(xì)菌，在這種情況下是大腸桿菌的工程形式，來(lái)感知硫代硫酸鹽和相關(guān)的含硫化合物，它們也可能是結(jié)腸炎的生物標(biāo)志物。已經(jīng)有很好的方法來(lái)編程大腸桿菌產(chǎn)生熒光綠色蛋白來(lái)響應(yīng)特定的刺激，但是沒(méi)有已知的基因-在任何生物體中-用于感知硫代硫酸鹽，但是很少用于其他化合物。
她說(shuō)：“腸道硫代謝與炎癥之間存在聯(lián)系，我們知道，我們需要能夠準(zhǔn)確測(cè)量硫代謝物，以診斷結(jié)腸炎癥。
塔博爾說(shuō)，該研究的合著者、該小組2015年的本科生研究員拉維謝思(Ravi Sheth)使用了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，來(lái)識(shí)別生活在海洋沉積物中的希瓦氏菌基因組中硫代硫酸鹽和其他硫化合物的潛在傳感器。Tabor的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，Shivanella可能會(huì)呼吸這些分子，并使用傳感器打開(kāi)它們前面的適當(dāng)酶。
Daeffler花了一年時(shí)間改造大腸桿菌來(lái)表達(dá)傳感器基因，驗(yàn)證它們的功能，并優(yōu)化它們以通過(guò)產(chǎn)生綠色熒光蛋白信號(hào)來(lái)響應(yīng)潛在的生物標(biāo)志物。用了一年的時(shí)間來(lái)證明該系統(tǒng)在小鼠身上有效，并且檢測(cè)到了結(jié)腸炎癥。
研究人員向健康小鼠和結(jié)腸炎小鼠口服了兩滴含有約10億個(gè)傳感器細(xì)菌的滴劑。六小時(shí)后，他們測(cè)量了每組中傳感器細(xì)菌的活性。綠色熒光蛋白出現(xiàn)在老鼠的糞便中。雖然肉眼看不到，但可以通過(guò)稱為流式細(xì)胞術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室儀器輕松測(cè)量。
研究小組發(fā)現(xiàn)，硫代硫酸鹽傳感器在炎癥小鼠中被激活，而在健康小鼠中未被激活。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，小鼠的炎癥越多，傳感器的激活就越多。
塔博爾說(shuō)，這項(xiàng)研究表明，腸道細(xì)菌可以配備工程傳感器，并用于非侵入性地測(cè)量特定代謝物。這一結(jié)果可以為許多新的研究打開(kāi)大門(mén)，有助于闡明廣泛的腸道過(guò)程。
Tabor說(shuō)，雖然可能需要幾年的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)，但硫代硫酸鹽是否是人類結(jié)腸炎的生物標(biāo)志物仍不清楚，傳感器細(xì)菌最終可能會(huì)被重新設(shè)計(jì)以診斷人類結(jié)腸炎。特別是，綠色熒光蛋白可以被產(chǎn)生有色色素的酶所取代。
他說(shuō)：“我們希望開(kāi)發(fā)一種家庭炎癥測(cè)試，在這種測(cè)試中，一個(gè)容易突然爆發(fā)結(jié)腸炎的人會(huì)吃含有工程菌的酸奶，如果他生病了，他會(huì)看到廁所里的藍(lán)色色素。
Tabor說(shuō)，這樣的檢查可以減少不必要和昂貴的醫(yī)生旅行和不必要的結(jié)腸鏡檢查程序，這些程序既昂貴又具有侵入性。他說(shuō)，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始與貝勒的胃腸病學(xué)家合作，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
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