合成生物學家將微生物的基因組與合成基因電路相結合，以分解污染性塑料，非侵入性地診斷和治療人體腸道感染，并在長途太空飛行中產(chǎn)生化學物質(zhì)和營養(yǎng)。雖然在實驗室中顯示出巨大的希望，但這些技術需要控制和安全措施，以確保工程微生物在許多細胞分裂中保持其功能基因回路完整，并且它們被包含在它們所針對的特定環(huán)境中。

過去由哈佛大學生物啟發(fā)工程學院Wyss研究所領導的核心學院成員Pamela Silver和James Collins已經(jīng)在細菌中制造了“殺傷開關”，導致他們在實驗室條件下不再需要時自殺。“我們需要進一步開展我們以前的工作，開發(fā)長期穩(wěn)定的殺傷開關，并且在實際應用中也很有用，”Silver說，他也是Elliot T.和Onie H. Adams生物化學教授和哈佛醫(yī)學院的系統(tǒng)生物學(HMS)。她的研究小組現(xiàn)在在Molecular Cell上報道兩種新型殺傷開關可以解決這些挑戰(zhàn)。新的殺傷開關是自給自足的，并且在進化的細菌群體中高度穩(wěn)定，并且它們持續(xù)許多代。它們可以確保只有具有完整合成基因回路的細菌存活，或?qū)⒓毦拗圃?7°C(體溫)的目標環(huán)境中，同時誘導它們在較低溫度下死亡，如細菌從小鼠腸道排出時所證明的。

對于第一種類型的殺戮開關，“Essentializer”，Silver的團隊利用他們以前設計的“記憶元素”，允許大腸桿菌細菌記住在他們的環(huán)境中遇到特定的刺激。記憶元素來自一種名為噬菌體λ的細菌感染病毒，要么保持沉默，要么通過永久性地打開科學家可以追蹤的可見報告轉(zhuǎn)基因來報告信號的發(fā)生。信號可以是任何分子，例如腸道中的炎性細胞因子或環(huán)境中的毒素。

在他們最近的研究中，該團隊設計了一種方法，確保記憶元素在超過一百代的細菌群體進化過程中不會從基因組中丟失。在此期間，個體細菌的基因組獲得隨機突變，這些突變也可能發(fā)生在記憶元件中，在它們的尾跡中摧毀它。研究人員將Essentializer作為細菌基因組中另一個位置的獨立元素進行了介紹。只要記憶元件保持完整，控制其功能的兩種噬菌體因子中的任何一種也抑制由Essentializer編碼的毒素基因的表達。然而，毒素基因仍然有些“滲漏”，仍然產(chǎn)生殘留量的可以殺死細胞的毒素。為了保持這些殘留的毒素水平，

“通過將記憶元素的功能與Essentializer的功能聯(lián)系起來，我們基本上將大腸桿菌的存活與存儲元件的存在聯(lián)系起來。從細菌基因組中去除記憶元素，這也消除了兩種毒素抑制噬菌體因子，立即觸發(fā)殺傷開關產(chǎn)生大量毒素，壓倒抗毒素并消除人群中受影響的細菌，“第一作者，與Silver合作的研究生Finn Stirling說。“為了創(chuàng)建這種復雜的制衡系統(tǒng)，我們還確保殺傷開關本身保持完整，這是未來應用的重要先決條件;我們證實它們在大約140個細胞分裂后仍然可以正常運行。”

團隊稱之為“Cryodeath”的第二種殺傷開關能夠使用相同的毒素/抗毒素組合將細菌限制在特定的溫度范圍，但以不同的方式調(diào)節(jié)它。同樣，產(chǎn)生了低水平的抗毒素，毒素基因與賦予冷敏感性的調(diào)節(jié)序列相關。將細菌從它們應該茁壯成長的37°C轉(zhuǎn)移到22°C，有效誘導毒素表達并殺死細菌。在開創(chuàng)性的概念驗證實驗中，該團隊證明了Cryodeath在體內(nèi)的有用性。將含有殺滅開關的大腸桿菌菌株引入小鼠后，只有100,000個細菌中的1個在糞便樣品中是可行的。“這一進步使我們更加接近合成工程微生物在人體或環(huán)境中的實際應用。我們現(xiàn)在正在研究可以響應不同環(huán)境刺激的殺傷開關組合，以提供更嚴格的控制，”Silver說。

“這項研究表明，我們的團隊利用合成生物學不僅可以重新編程微生物來創(chuàng)建可以為醫(yī)學和環(huán)境治療提供有用功能的活細胞設備，而且可以以對所有人都安全的方式進行，”Wyss Institute說。創(chuàng)始董事Donald Ingber，醫(yī)學博士，博士，同時也是HMS血管生物學的Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學項目，以及哈佛大學生物工程教授John A. Paulson工程學院和應用科學(SEAS)。