數(shù)以百萬計(jì)的人服用益生菌膠囊，目的是改善他們的消化，但如果這些細(xì)菌能夠檢測(cè)到腸道內(nèi)的疾病并指出什么時(shí)候出現(xiàn)問題呢?哈佛大學(xué)Wyss研究所和哈佛醫(yī)學(xué)院(HMS)的一項(xiàng)新研究創(chuàng)造了一種有效的，非侵入性的方法來快速識(shí)別新的細(xì)菌生物傳感器，這種生物傳感器可以識(shí)別并報(bào)告腸道中各種疾病觸發(fā)因素的存在，從而幫助建立階段為消化健康監(jiān)測(cè)和治療的新前沿。“我們對(duì)人體腸道微生物組如何表現(xiàn)的理解仍處于早期階段，這阻礙了大規(guī)模研究用活細(xì)菌制造生物傳感器，”Wyss Institute前博士后大衛(wèi)Riglar博士說。 HMS現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究小組，作為倫敦帝國理工學(xué)院的亨利戴爾研究員。“這項(xiàng)工作提供了一個(gè)高通量平臺(tái)，用于鑒定細(xì)菌中對(duì)腸道中不同信號(hào)有反應(yīng)的遺傳因素，使我們更接近于在細(xì)菌中設(shè)計(jì)復(fù)雜的信號(hào)傳導(dǎo)途徑，使其能夠長(zhǎng)期檢測(cè)甚至治療疾病。”

新平臺(tái)建立在Wyss Founding Core Faculty Pamela Silver博士實(shí)驗(yàn)室的前期工作基礎(chǔ)之上。設(shè)計(jì)了一種遺傳回路，該遺傳回路由來自病毒的“記憶元件”和合成的“觸發(fā)元件”組成，它們一起可以檢測(cè)并記錄給定刺激物的存在 - 最初是抗生素四環(huán)素的失活形式。將合成回路整合到大腸桿菌細(xì)菌的基因組中，將其引入活的小鼠中，然后給予四環(huán)素?？股匾鸺?xì)菌回路中的觸發(fā)元件激活記憶元件，記憶元件像開關(guān)一樣“翻轉(zhuǎn)”長(zhǎng)達(dá)一周，以便細(xì)菌“記住”四環(huán)素的存在。“上”

研究小組接著證實(shí)，該電路可以進(jìn)行調(diào)整，以檢測(cè)并報(bào)告活的小鼠腸道中的四硫酸鹽(一種表明存在炎癥的天然分子)，在被引入動(dòng)物后長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月，表明它們的系統(tǒng)可以用于監(jiān)測(cè)對(duì)于長(zhǎng)期診斷腸道疾病狀態(tài)有用的信號(hào)。

但連四硫酸鹽只是一個(gè)分子; 為了開發(fā)新的基于細(xì)菌的診斷，研究人員需要一種快速測(cè)試不同潛在觸發(fā)因素的方法，以確定它們是否能夠?qū)Ω嗉膊⌒盘?hào)做出反應(yīng)。

首先，他們通過添加抗生素抗性基因來修改遺傳回路，該基因在記憶元件被翻轉(zhuǎn)到其“開啟”狀態(tài)時(shí)被激活，允許“記住”觸發(fā)的細(xì)菌在暴露于抗生素壯觀霉素后存活。為了測(cè)試針對(duì)各種分子信號(hào)的更新電路，他們創(chuàng)建了一個(gè)不同大腸桿菌菌株庫，每個(gè)菌株都含有記憶元件和基因組中獨(dú)特的觸發(fā)元件。然后將該細(xì)菌菌株文庫引入活小鼠的腸內(nèi)，以觀察是否有任何觸發(fā)元件被小鼠腸道中的物質(zhì)激活。當(dāng)他們?cè)诤袎延^霉素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)小鼠糞便樣品中的細(xì)菌時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)許多菌株生長(zhǎng)了，表明他們的記憶元素在通過老鼠的過程中已被打開。特別是兩種菌株顯示出一致的活化，即使是小鼠單獨(dú)給予它們，也表明它們被小鼠腸道內(nèi)的條件激活，可以作為腸道特異性信號(hào)的傳感器。

研究人員使用較小的大腸桿菌菌株重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其觸發(fā)因子是被認(rèn)為與炎癥相關(guān)的基因序列，其中10個(gè)在通過小鼠的過程中被激活。當(dāng)該文庫被用于患有腸道炎癥的小鼠時(shí)，與健康小鼠相比，一種特定菌株在炎癥小鼠中表現(xiàn)出更強(qiáng)的記憶反應(yīng)，證實(shí)它能夠成功記錄小鼠腸道中炎性生物分子的存在，從而可以服務(wù)作為胃腸健康的生活監(jiān)測(cè)器。

“這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它可以讓我們識(shí)別自然界中已存在的生物傳感器，我們無法自行設(shè)計(jì)，因?yàn)榧?xì)菌基因組的功能和調(diào)節(jié)仍然未知，”第一作者亞歷山大說。 Naydich最近完成了他的博士學(xué)位。在銀實(shí)驗(yàn)室。“我們真正利用微生物組的令人難以置信的遺傳多樣性，快速有效地利用潛在的解決方案。”

該系統(tǒng)的其他特征包括記錄在腸道中長(zhǎng)期或短暫發(fā)生的信號(hào)的能力，以及設(shè)計(jì)成觸發(fā)元件的合成核糖體結(jié)合位點(diǎn)(RBS)序列形式的可調(diào)節(jié)靈敏度，其可以控制其中的速率。啟動(dòng)器可以響應(yīng)信號(hào)誘導(dǎo)“開”存儲(chǔ)狀態(tài)。這些功能允許細(xì)菌生物傳感器的微調(diào)，以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)腸道內(nèi)的特定條件。

“我們已經(jīng)能夠?qū)⑦@項(xiàng)技術(shù)從一種可以測(cè)試一件事物的工具推進(jìn)到可以同時(shí)測(cè)試多種物質(zhì)的工具，這不僅有助于識(shí)別新的潛在生物傳感器，而且有朝一日可以發(fā)展成益生菌含有復(fù)雜細(xì)菌的藥丸可以同時(shí)感知和記錄幾種信號(hào)，使臨床醫(yī)生能夠“指紋”疾病并對(duì)診斷有更大的信心，“Pamela Silver說道，他也是Elliot T.和Onie H. Adams教授HMS的生物化學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)。

“Silver團(tuán)隊(duì)在基于微生物組遺傳再造的活細(xì)胞設(shè)備開發(fā)方面取得的持續(xù)進(jìn)步代表了一種全新的低成本診斷方法。這種方法有可能從根本上改變我們與生物系統(tǒng)相互作用和控制的方式。包括我們自己的身體在內(nèi)，“Wyss創(chuàng)始主任Donald Ingber博士說，他也是HMS的血管生物學(xué)Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及生物工程學(xué)教授。哈佛大學(xué)的John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院。