基因工程大腸桿菌實時監測體內炎症

基因工程大腸桿菌實時監測體內炎症

陳光風【原創】

（生物醫學評論研究所BMRI）

利用基因工程改造大腸桿菌或者其他微生物來為人類服務早已經不是什麼新鮮事，而改造大腸桿菌來實時監測體內的炎症反應還是頭一回。最近，一組來自哈佛大學的科學家小組在權威期刊《Nature Biotechnology》上面報道利用基因工程改造大腸桿菌，餵食給小鼠之後，收集排泄物，培養細菌，根據細菌克隆的顏色變化就可以監測小鼠的炎症情況【1】。

試想一下，以後不需要跑到醫院去經過複雜的程序檢測體內的炎症，而只需要像喝一杯「酸酸乳」一樣的飲料，過個一兩天，拉出一點排泄物，用棉簽沾一點放進專門的管子裡面，看看顏色變化就知道自己的炎症情況，而且幾個月之內隨時拉撒隨時都可以檢測，是多麼的簡單便利。儘管過程細思起來還是有些噁心，不太衛生，但是畢竟省了跑醫院之苦。當然，想像是美好的，不過實際情況並沒有這麼簡單，然而這個想法還是比較有新意的，而且在小鼠實驗上面獲得了成功，我們簡單來看看這篇研究報道。

檢測的原理是什麼呢或者說檢測的根據是什麼呢？目前許多研究已經比較清楚地證明，當體內有炎症或者發生感染之後，就會刺激炎症信號通路，進一步刺激中性粒細胞、巨噬細胞等等釋放活性氧簇ROS（reactive oxygen species, ROS），而ROS就會促使腸道中的硫代硫酸鹽（thiosulfate）轉化成為連四硫酸鹽（tetrathionate），整個過程如下面的圖一所示。因此，一旦腸道中出現連四硫酸鹽就表明身體有炎症，所以改造大腸桿菌的目的就是希望能夠輕輕鬆鬆地檢測到連四硫酸鹽，而不需要通過其他侵入性複雜方法。

圖一（David T Riglar等，Nature Biotechnology，2017）

既然一切的目的是為了檢測腸道中的連四硫酸鹽，那麼很自然就想到來改造細菌，因為人體腸道中充滿了幾百億個細菌。那麼，研究者們是如何設計能夠檢測連四硫酸鹽的大腸桿菌的呢？如下面圖二中的A小圖，這就是檢測的原理圖，是怎樣的呢？且讓我慢慢道來。A小圖分上下兩部分，上面部分顯示的是Cro觸發原件（cro trigger element），下面部分顯示的是記憶元件（memory element）。先來看看所謂的記憶元件，其由許多小段DNA序列組成，但是最重要的作用就是，當有Cro蛋白質的時候，就會啟動表達β-半乳糖苷酶（β-galactosidase, β-gal）。β-半乳糖苷酶我們都很熟悉了，在藍白斑篩選時候常常看到，簡單說來就是，β-半乳糖苷酶的一種底物叫做「x-gal」，一旦細菌具有β-半乳糖苷酶表達，把這些細菌放在添加有「x-gal」的瓊脂糖細菌培養平板上面之後，就會顯示出藍色的細菌克隆。因此，僅需要肉眼觀察細菌是不是呈現藍色就能可以判斷細菌表達β-半乳糖苷酶沒有，是藍色就表達，沒有藍色的細菌克隆就不表達。因此，記憶元件的作用就是，一旦有Cro蛋白生成的細菌克隆就會在添加x-gal的平板上面顯示藍色，因為Cro蛋白會激活β-半乳糖苷酶的表達。再來看看，cro觸發原件，這裡就不說複雜了，簡單地說，就是一旦有連四硫酸鹽（圖中的TtrR以及其磷酸化形式），就會觸發cro蛋白的表達。因此，這兩個原件放在一起就是檢測連四硫酸鹽的原理，即連四硫酸鹽觸發cro蛋白表達，而cro蛋白表達之後就促使β-半乳糖苷酶表達，而β-半乳糖苷酶就會讓細菌克隆在x-gal平板顯示出藍色，最終肉眼觀察具有藍色細菌克隆出現就表明檢測到了連四硫酸鹽，而具有連四硫酸鹽就表明體內有炎症。好一個環環相扣啊！

圖二（David T Riglar等，Nature Biotechnology，2017）

原理設計之中還有一個比較妙的地方在於氧氣能夠抑制cro蛋白質的表達，這就為基因工程改造細菌的培養以及在檢測之後的排泄物塗平板時，細菌接觸到空氣中的氧氣之後就不再表達cro蛋白質，從而不再表達β-半乳糖苷酶，進而最終觀察到的藍色克隆只可能是連四硫酸鹽刺激之後的。圖二中B小圖顯示體外實驗培養這種基因工程改造菌的過程，而C小圖顯示了幾個微摩爾濃度的連四硫酸鹽，靈敏度可以說是相當高。D-F小圖顯示在小鼠實驗中這種基因工程改造的細菌確實能夠檢測到小鼠體內的炎症。

研究者們在接下來的研究中進一步採用炎症遺傳模型小鼠來進一步驗證這種基因工程改造小鼠對炎症的監測，結果顯示出良好的效果，在此不細說。

那麼，吃了這個細菌之後，能夠在多長時間都會有監測炎症的效果呢？研究者們在小鼠上面直到第200天時候竟然都還能夠檢測炎症，可以說時間也是相當長的了，這種細菌能夠非常穩定地在體內腸道中生存。

當然，對於這種基因工程改造細菌其安全性，尤其是會不會產生突變呢？研究者們進行了深入研究，如下面的圖三結果顯示，測序沒有發現細菌基因突變。

圖三（David T Riglar等，Nature Biotechnology，2017）

這下子可以消除疑慮了，過了159天也沒有發現細菌基因突變了，而細菌的功能呢，還是跟以前一樣，100%正常！當然，沒有做人體試驗就說這個基因工程改造的細菌安全這肯定是不行的，畢竟細菌的世界太複雜，人類遠遠沒有了解透他們，你看看以前發明抗生素就以為可以控制細菌，結果過了幾十年如何？細菌早已經耐葯了！所以說人類啊，在古老的細菌面前還是太嫩了，畢竟細菌在地球上已經生活了幾億年了，姜還是老的辣！因此，對於這些基因工程改造細菌的使用還是慎重為妙！第一個吃螃蟹的人勇氣已經可嘉了，然而第一個吃基因工程改造的細菌的人可能還需要更大的勇氣！

參考文獻：

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