新工具可视化细菌物种在肠道中的位置控制它们的活动

肠道微生物在健康和疾病中发挥着广泛的作用，但缺乏探测微生物活动与宿主生理学之间关系的工具。4月20日在Cell杂志上发表的两项小鼠独立研究克服了这一障碍，通过使它们表达荧光蛋白的独特组合，可以同时显现肠道中的多种细菌菌株。这种方法使研究人员能够根据它们发出的彩虹色，精确定位肠道内细菌的位置。此外，这些工具还允许实时和特定位置精确控制细菌基因的活动。

“我们发现合成生物学的工具可以让我们提出关于肠道微生物群的新问题，”其中一项研究的资深作者耶鲁大学医学院的安德鲁古德曼说。“我们还想象这些策略可能为按需提供微生物群中的治疗药物或其他分子提供了一个起点。”

测序技术的进步使得能够对肠道中发现的细菌物种进行深入表征，但是操纵肠道微生物组的工具远远落后。虽然已经开发出用于模拟生物如大肠杆菌的工具，但这些系统在拟杆菌中不起作用，拟杆菌是美国人口内最丰富的属。

在其中一项研究中，斯坦福大学医学院的Justin Sonnenburg和他的团队开发了一种工程化Bacteroides的方法，可以同时追踪肠道中的多种细菌菌株。这些工具包括一组合成启动子 - 启动特定基因转录的DNA序列。

研究人员利用这一系列启动子，对六种不同的拟杆菌种进行基因工程，以产生一种名为mCherry和绿色荧光蛋白(GFP)的红色荧光蛋白(RFP)的独特组合。他们将工程化物种引入在无菌环境中培养的小鼠中，两周后，他们使用荧光显微镜分析结肠组织切片，以确定细菌在肠道不同部位的位置。

在另一项实验中，Sonnenburg和他的团队对两种拟杆菌菌株进行了基因工程改造，以生产GFP或RFP。然后他们将表达RFP的菌株引入小鼠肠道，然后在一周后将表达GFP的菌株引入小鼠肠道。很明显，表达RFP的菌株成功地定殖结肠并且胜过表达GFP的菌株，特别是在称为隐窝的管状腺体中。研究结果表明，这些特定肠道结构的定植是一个关键步骤，使长期肠道居民能够胜过入侵物种。

在未来的研究中，Sonnenburg及其团队将继续开发这些工具，以设计细菌在精确的时间或地点生产蛋白质。斯坦福研究的第一作者韦斯顿惠特克说：“在商业方面，表达工具可以让我们通过在我们体内生存的微生物中生产治疗性蛋白质。”“使用细菌细胞进行药物输送打开了在正确的时间和地点生产的智能疗法的大门。”

在另一项研究中，耶鲁大学的Andrew Goodman及其团队还开发了一组合成启动子，能够微调控制不同拟杆菌属中的基因活性。研究人员将这些启动子整合到拟杆菌基因组中并使用四环素调节系统调节基因活性，该系统允许转录根据称为无水四环素的合成化合物的存在而可逆地打开或关闭。

在OFF状态下，由合成启动子控制的基因活性被完全关闭，但在无水四环素的存在下，基因活性迅速增加了9,000倍。研究人员接下来将工程菌引入小鼠，并证实他们的工具可以严格控制肠道细菌中的基因活性，只需在小鼠的饮用水中加入不同量的无水四环素即可。

如果扩展到人类，这种方法可以潜在地实现治疗化合物的按需递送。此外，通过不同途径给予无水四环素，例如通过时间或pH依赖性延迟释放胶囊或通过导管插入手术，可以实现对胃肠道中特定位置的细菌基因活性的精确控制。在未来的研究中，古德曼和他的团队将他们的系统应用于肠道微生物与其宿主之间的其他微生物和其他类型的相互作用。

“这些工具为新类型的研究打开了大门，以更好地了解我们的微生物群，并确定如何为治疗目的设计肠道共生细菌，”Sonnenburg说。“然而，在肠道共生体可以用于治疗之前，开发安全可靠地定殖人体肠道的方法将是非常重要的，这将需要更多的研究。”

郑重声明：本文版权归原作者所有，转载文章仅为传播更多信息之目的，如有侵权行为，请第一时间联系我们修改或删除，多谢。