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合成生物学家设计炎症感应肠道细菌

2018-12-29 10:54:29 • 来源：

莱斯大学的合成生物学家设计了能够感知结肠炎的肠道细菌，结肠炎是一种结肠炎症。该研究指出了研究肠道细菌和人类宿主如何在分子水平上相互作用并最终导致口服可摄取细菌以监测肠道健康和疾病的新实验的方法。这项研究发表在分子系统生物学的一项新研究中，涉及莱斯生物工程和生物科学助理教授杰弗里塔博尔的实验室的一系列突破，以及贝勒医学院合作者罗伯特布里顿和诺亚史罗耶的重要贡献。 。Tabor的团队，包括首席合着者和博士后研究员Kristina Daeffler，确定了第一个与炎症相关的新型生物标记物的遗传编码传感器，将传感器的基因插入经过充分研究的肠道细菌中，并与Shroyer和Britton合作使用工程菌检测小鼠结肠炎症。

合成生物学家设计炎症感应肠道细菌

塔博尔说：“肠道中含有数万亿微生物，它们在健康和疾病中发挥着关键作用。” “然而，它是一个黑暗且相对难以接近的地方，很少有技术可以用来详细研究这些过程。另一方面，细菌已经进化出成千上万的遗传编码传感器，其中许多传感器感知肠道连锁分子。因此，基因工程传感器细菌具有研究肠道和诊断肠道疾病的巨大潜力。“

像Tabor这样的合成生物学家专门研究细菌等单细胞生物，就像工程师对机器人编程一样。特别是，Tabor的团队正致力于开发能够检测肠道疾病信号的细菌传感器。与使用电线和电子元件构建电路的电气工程师一样，Tabor的团队使用遗传电路对单细胞生物进行编程，以执行复杂的信息处理。

以前的研究表明，肠道微生物群，遗传易感性和其他环境因素的改变可能在炎症性肠病中发挥关键作用，这种疾病包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，并且影响多达160万美国人。

“基于以前的一些研究，我们假设分子硫代硫酸盐可能在结肠炎期间升高，”Daeffler说。“科学家很难研究这种联系，因为没有工具可以可靠地测量活体动物体内的硫代硫酸盐。我们在这个项目中的第一个目标就是设计这样一个工具。”

Daeffler说，从2015年项目开始，该想法是使用传感器细菌，在这种情况下是一种工程形式的大肠杆菌，来感知硫代硫酸盐和相关的含硫化合物，这些化合物也可能是结肠炎的生物标志物。人们已经有了很好的方法来编程大肠杆菌以产生响应特定刺激的荧光绿色蛋白质，但是在任何生物体中都没有已知的基因 - 用于感知硫代硫酸盐，而其他化合物则很少。

“肠道硫代谢与炎症之间存在联系，我们知道我们需要能够准确地测量硫代谢物以诊断结肠炎症，”她说。

塔博尔说，该研究的共同作者，2015年该小组的本科研究员Ravi Sheth使用计算机程序来识别Shewanella基因组中潜在的硫代硫酸盐和其他硫化合物传感器，Shewanella是一种生活在海洋沉积物中的细菌。塔博尔的研究小组认为，希瓦内拉可能呼吸这些分子，并使用传感器在它们存在的情况下打开适当的酶。

Daeffler花了一年的工程大肠杆菌来表达传感器基因，验证它们的功能并优化它们以通过产生绿色荧光蛋白信号来响应潜在的生物标记物。花了一年时间才证明该系统在小鼠体内发挥作用并检测到结肠炎症。

研究人员向健康小鼠和结肠炎小鼠口服两滴含有约十亿传感器细菌的滴剂。他们在六小时后测量了每组中传感器细菌的活性。绿色荧光蛋白出现在小鼠的粪便中。虽然肉眼看不见，但可以用称为流式细胞仪的标准实验室仪器轻松测量。

研究小组发现硫代硫酸盐传感器在炎症小鼠中被激活，并且在健康小鼠中未被激活。此外，研究人员发现，小鼠的炎症越多，传感器的激活就越多。

塔博尔说，这项研究表明，肠道细菌可配备工程传感器，并用于非侵入性地测量特定代谢物，这一结果可为许多新研究打开大门，这些研究有助于阐明各种肠道过程。

塔博尔说，虽然它可能需要几年的开发时间，但仍然不知道硫代硫酸盐是否是人类结肠炎的生物标志物，传感器细菌最终可能会被重新设计，以起到人类结肠炎的诊断作用。特别地，绿色荧光蛋白可以用产生有色颜料的酶代替。

他说：“我们希望开发一种家庭炎症测试，其中一个容易发生结肠炎突然发作的人会吃含有工程菌的酸奶，如果他们生病了就会看到厕所里的蓝色素。”

塔博尔说，这样的测试可以减少不必要的和昂贵的医生旅行和不需要的结肠镜检查程序，这些程序既昂贵又具有侵入性。他说他的团队已经开始与贝勒的胃肠病学家合作以实现这一目标。

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