回憶過去——工程菌對於腸道炎症的記憶

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我們已經知道身體中存在的微生物種群，會影響人類疾病和健康。如今科學家開發微生物的原生能力來感知和應對周圍環境和疾病相關的刺激信號，並且在細菌中工程化新的功能也已經有非常成熟便捷的技術。來自正常微生物組織的細菌已經以改良或減弱的形式被用於益生菌製劑和癌症治療中，而現在研究人員正在考慮將其用作下一代診斷和治療的新途徑。

由來自哈佛大學威斯研究所的Pamela Silver博士領導的團隊設計了一種強大的細菌感測器。工程化後的細菌菌株中具有穩定的基因環路，可以允許在小鼠腸道中進行6個月的炎症監測。研究結果發表在雜誌《Nature Biotechnology》上。這項研究為此前所面臨的活檢相關挑戰提供了一個有希望的解決方案，使之更有望應用於人類患者。

對於慢性炎性疾病如炎症性腸病（IBD）來說，科學家們先後開發了一些與腸道疾病活檢相關的診斷和治療方式，比如機器人感測器等，但是然而，它們既不會降解也難以用於長期監測。由於仍然難以非侵入性地監測腸道病症，那麼微生物就顯得特別有幫助。

研究的第一作者DavidRiglar正在拿著一種具有暴露於炎症信號的工程細菌的培養皿。 記憶開關打開時，細菌變藍，基因β-半乳糖苷酶將X-Gal底物轉化為藍色沉澱。來源：哈佛大學威斯研究所

為了使用細菌作為生物感測器標誌物，需要對它們的基因組進行修飾，合成基因迴路或基因座，使之獲得感受和響應的功能。其中的一些遺傳改變可能會削弱或破壞正常的信號傳導，對這些細菌來說具有毒性。即使在益生菌微生物對改造耐受的情況下，工程細胞也可能會產生生長延遲或者新功能被微生物組織的其它成分所禁止。這會導致，益生菌和工程化的治療微生物從體內迅速被清除，這使得它們不能夠長期監測和調節生物體的組織環境。

威斯研究所核心教師Silver以及哈佛醫學院生物化學和系統生物學教授Elliot T.和Onie H. Adams認為腸道只是該系統的第一個應用，因為它無法通過非侵入性手段，並且對於易患IBD等慢性病患者的炎症具有易感性。「我們認為腸道是一個難以觀察的黑匣子，但我們可以用細菌照亮這些黑暗的地方」，Silver說，「我們相信我們的工作開啟了巨大的可能性，可以利用我們的診斷工具的靈活性和模塊性，將工程生物體的使用擴展到各種應用當中。」

這項研究的關鍵是在電路上引入了一個記憶模塊，該模塊能夠在刺激消失後很長時間內依然檢測到一個感興趣的分子，並對這種暴露環境作出響應。由於細菌可以從腸道中快速清除，所以該小組使用了小鼠微生物群原有的部分細菌菌株，並將其設計成含有能夠檢測四硫酸鹽的感受和記憶模塊。四硫酸鹽是在發炎小鼠腸中產生的瞬時代謝分子，由感染致病細菌，如鼠傷寒沙門氏菌和小腸結腸炎耶爾森氏菌，或遺傳缺陷引起的炎症所導致的。

未暴露於炎性信號的工程細菌不會打開記憶電路，因此保持無色。 在存在炎性化學四硫酸鹽的情況下，記憶電路開啟並使工程細菌變藍。信用：哈佛大學威斯研究所

團隊設計的合成基因迴路包含一個「觸發元件」，它是從特異性識別細胞中生物標誌物（這裡是指四硫酸鹽）的天然系統中獲得的。當沒有現有感測器存在時，可以通過合成方法進行開發。電路中的第二個元素是類似於切換開關的「記憶元件」，從攻擊細菌的病毒改編而來。它由兩個基因（簡稱為A和B）組成，這兩個基因通過是否存在刺激（四硫酸鹽是否存在）相互調節。在四硫酸鹽感測器中，當四硫代不存在時，基因A的產物阻斷基因B的表達。當在炎症期間產生四硫酸鹽並且被觸發元件感知時，A下調水平，基因B被誘導並開始關閉基因A的表達。B基因的表達也與報告基因相關連，當它們已經切換記憶元件時，使細菌從無色轉變為藍色。第一次硫酸鹽暴露後，開關可以保持在開狀態。

研究人員還對細菌液體培養中感測器的功能進行了驗證。該研究的第一作者David Riglar博士表示，在鼠傷寒沙門氏菌感染引起的腸道炎症的小鼠模型中，通過含有感測器的益生菌，可以檢測到四硫酸鹽的存在，有效時長高達6個月。通過對糞便物質的簡單分析，合成迴路的記憶開啟狀態得到了證實，並且其DNA保守而且穩定。

「我們的方法是利用細菌的感知能力來監測不健康的組織或器官中的環境，」Riglar說，「通過添加保留記憶的基因迴路，我們設想給人類通過益生菌，進行簡單和非侵入性糞便測試，來記錄疾病進展。」

Silver的團隊計劃將這項工作擴展到監測人類腸道中的炎症，並開發新的感測器來檢測各種其他疾病的跡象。如果在人類研究中能夠取得成功，這將是一種低廉且簡便的腸道功能監測方法，對於老人、兒童、糖尿病患者以及其他較為脆弱的人群來說，是一個非常好的選擇。

參考資料：

[1] Remembrance of things past – bacterialmemory of gut inflammation

[2] Engineered bacteria can function in themammalian gut long-term as live diagnostics of inflammation

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