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合成生物学家设计炎症感应肠道细菌

导读莱斯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。这项研究指出了一种新的实验方法,以研究肠道细菌和人类宿主如

莱斯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。这项研究指出了一种新的实验方法,以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入细菌来监测肠道健康和疾病。

该研究发表在《分子系统生物学新研究》上,涉及水稻生物工程与生物科学助理教授杰弗里塔博尔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施罗德的重要贡献。Tabor的团队,包括主要合著者和博士后研究员Kristina Daeffler,确定了第一个与炎症相关的新生物标志物的基因编码传感器,将该传感器的基因插入到研究充分的肠道细菌中,并与Shroyer和Britton合作使用工程菌检测小鼠结肠炎症。

塔博尔说:“肠道含有数万亿的微生物,它们在健康和疾病中发挥着关键作用。”“然而,这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个基因编码的传感器,其中许多能感知肠道连接分子。因此,基因工程传感器细菌在研究肠道和诊断肠道疾病方面具有巨大的潜力。”

像塔博尔这样的合成生物学家专门研究细菌等单细胞生物,就像工程师为机器人编程一样。特别是,Tabor的团队正在开发能够检测肠道疾病信号的细菌传感器。像为电线和电子元件构建电路的电气工程师一样,塔博尔的团队使用遗传电路为单细胞生物编程,以进行复杂的信息处理。

此前的研究表明,肠道菌群、遗传易感性和其他环境因素的变化可能在炎症性肠病(包括克罗恩病和溃疡性结肠炎)中发挥关键作用,影响多达160万美国人。

“基于之前的一些研究,我们假设在结肠炎期间硫代硫酸盐分子可能会增加,”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动物体内的硫代硫酸盐。我们在这个项目中的第一个目标是设计这样一个工具。”

Daeffler说,从2015年的项目开始,想法是使用传感器细菌,在这种情况下是大肠杆菌的工程形式,来感知硫代硫酸盐和相关的含硫化合物,它们也可能是结肠炎的生物标志物。已经有很好的方法来编程大肠杆菌产生荧光绿色蛋白来响应特定的刺激,但是没有已知的基因-在任何生物体中-用于感知硫代硫酸盐,但是很少用于其他化合物。

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

塔博尔说,该研究的合著者、该小组2015年的本科生研究员拉维谢思(Ravi Sheth)使用了一个计算机程序,来识别生活在海洋沉积物中的希瓦氏菌基因组中硫代硫酸盐和其他硫化合物的潜在传感器。Tabor的研究团队认为,Shivanella可能会呼吸这些分子,并使用传感器打开它们前面的适当酶。

Daeffler花了一年时间改造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志物。用了一年的时间来证明该系统在小鼠身上有效,并且检测到了结肠炎症。

研究人员向健康小鼠和结肠炎小鼠口服了两滴含有约10亿个传感器细菌的滴剂。六小时后,他们测量了每组中传感器细菌的活性。绿色荧光蛋白出现在老鼠的粪便中。虽然肉眼看不到,但可以通过称为流式细胞术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,而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,肠道细菌可以配备工程传感器,并用于非侵入性地测量特定代谢物。这一结果可以为许多新的研究打开大门,有助于阐明广泛的肠道过程。

Tabor说,虽然可能需要几年的时间来开发,但硫代硫酸盐是否是人类结肠炎的生物标志物仍不清楚,传感器细菌最终可能会被重新设计以诊断人类结肠炎。特别是,绿色荧光蛋白可以被产生有色色素的酶所取代。

他说:“我们希望开发一种家庭炎症测试,在这种测试中,一个容易突然爆发结肠炎的人会吃含有工程菌的酸奶,如果他生病了,他会看到厕所里的蓝色色素。

Tabor说,这样的检查可以减少不必要和昂贵的医生旅行和不必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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