盡管人類(lèi)微生物組在過(guò)去幾年中受到了人們的廣泛關(guān)注，但此類(lèi)研究的一個(gè)方面很少成為頭條新聞：難以觀察其隨各種刺激而隨時(shí)間變化的情況。最常見(jiàn)的分析方法是從糞便樣本中提取細(xì)菌，然后對(duì)它們的基因組進(jìn)行測(cè)序，但是這種方法雖然具有最小的侵入性，但卻會(huì)丟失有關(guān)腸道中細(xì)菌發(fā)生的位置和時(shí)間的關(guān)鍵信息，從而為科學(xué)家提供了關(guān)于腸道動(dòng)態(tài)的不完整信息。微生物組。

現(xiàn)在，由哈佛大學(xué)懷斯生物啟發(fā)工程研究所和哈佛醫(yī)學(xué)院(HMS)的研究人員創(chuàng)建的一種新工具以一組細(xì)菌基因的形式提供了解決此問(wèn)題的方法，這些細(xì)菌基因被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)和記錄變化隨著時(shí)間的流逝，活細(xì)胞小鼠腸道中不同細(xì)菌群的生長(zhǎng)會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而變化，并且可以作為基于合成生物學(xué)的復(fù)雜診斷和治療方法的平臺(tái)，用于腸道中的各種應(yīng)用。該研究發(fā)表在《自然通訊》上。

保持時(shí)間

該系統(tǒng)使用振蕩基因電路，稱(chēng)為再加壓器，作為一種測(cè)量細(xì)菌生長(zhǎng)的遺傳鐘。該再調(diào)控因子由三個(gè)細(xì)菌基因組成，這些細(xì)菌基因編碼三種蛋白質(zhì)(tetR，cl和lacI)，每種蛋白質(zhì)均阻斷其他一種蛋白質(zhì)的表達(dá)。這些基因被鏈接到一個(gè)負(fù)反饋回路中，因此當(dāng)一種阻遏蛋白的濃度降至某個(gè)水平以下時(shí)，其被阻遏的蛋白就會(huì)被表達(dá)，從而阻止了第三種蛋白的表達(dá)，并且該過(guò)程在一種周期性的方式。

當(dāng)將所有三個(gè)基因都插入質(zhì)粒并引入細(xì)菌后，完成的負(fù)反饋循環(huán)次數(shù)可以作為細(xì)菌經(jīng)歷了多少次細(xì)胞分裂的記錄。每當(dāng)細(xì)菌分裂時(shí)，存在于細(xì)胞質(zhì)中的任何阻遏蛋白都會(huì)被稀釋?zhuān)虼怂鼈兊臐舛葧?huì)逐漸下降并觸發(fā)阻遏蛋白循環(huán)中下一個(gè)蛋白的表達(dá)。至關(guān)重要的是，無(wú)論細(xì)菌生長(zhǎng)有多快或多慢，在15.5個(gè)細(xì)菌世代之后，重復(fù)加壓循環(huán)都會(huì)重復(fù)。這使其可以像時(shí)鐘或手表一樣用作客觀的時(shí)間度量。

“想像一下，如果您有兩個(gè)人戴著兩個(gè)不同的手表，而一個(gè)人的手表上的第二只手的移動(dòng)速度是另一個(gè)人的兩倍，”第一作者戴維·里格拉爾(David Riglar)博士解釋道，他以前是威斯研究所(Wyss Institute)的博士后。 HMS現(xiàn)在擔(dān)任倫敦帝國(guó)學(xué)院的亨利·戴爾·費(fèi)爾爵士的研究小組的負(fù)責(zé)人。“如果您在兩小時(shí)后停下兩只手表，它們將無(wú)法確定現(xiàn)在的時(shí)間，因?yàn)樗鼈兊臅r(shí)間量度會(huì)根據(jù)秒針的移動(dòng)速度而變化。相反，我們的穩(wěn)壓器就像一只手表，總是在相同的速度，因此無(wú)論有多少人穿著同一衣服，他們都將提供一致的時(shí)間測(cè)量。這種質(zhì)量使我們能夠更精確地研究腸道中細(xì)菌的行為。”

研究人員將這三種阻抑蛋白中的每一種與不同顏色的熒光分子偶聯(lián)，并開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為RINGS(單細(xì)胞水平基于阻抑劑的生長(zhǎng)推斷)的成像工作流程，以追蹤細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)表達(dá)的蛋白。賴(lài)格拉爾說(shuō)：“隨著細(xì)菌菌落的向外生長(zhǎng)，阻遏物回路產(chǎn)生了這些不同的熒光，樹(shù)環(huán)狀特征，基于這些阻遏蛋白在起始菌落的單一細(xì)菌中具有活性。” “熒光環(huán)的模式記錄了自生長(zhǎng)開(kāi)始以來(lái)發(fā)生了多少次再加壓循環(huán)，我們可以分析該模式以研究不同細(xì)菌之間和不同環(huán)境下的生長(zhǎng)速率如何變化。”

利用RINGS，該團(tuán)隊(duì)能夠成功追蹤體外培養(yǎng)的幾種不同細(xì)菌物種的細(xì)胞分裂，并觀察到當(dāng)細(xì)菌在小鼠腸道提取的樣品上生長(zhǎng)(模擬復(fù)雜的微環(huán)境)時(shí)，細(xì)菌的再加壓周期的長(zhǎng)度保持一致?；虮┞队诳股刂?以模擬壓力條件和不一致的生長(zhǎng)方式)。

追蹤變化

為了評(píng)估增效劑在體內(nèi)的性能，研究小組向小鼠口服了含有增效劑回路的大腸桿菌，然后分析了從糞便樣品中提取的細(xì)菌。引入后，該穩(wěn)壓器保持活躍狀態(tài)??長(zhǎng)達(dá)16天，這表明在活體哺乳動(dòng)物中，腸道細(xì)菌中可以維持長(zhǎng)期的振蕩基因表達(dá)。RINGS分析成功地檢測(cè)出細(xì)菌生長(zhǎng)模式的變化，并且通過(guò)給小鼠提供一種在其飲用水中停止給定階段的復(fù)活周期的化合物，可以“同步化”其復(fù)活回路處于不同階段的細(xì)菌。

最后，研究人員測(cè)試了調(diào)節(jié)器檢測(cè)腸道炎癥引起的細(xì)菌生長(zhǎng)速率差異的能力。給小鼠一種誘導(dǎo)炎癥的化合物，然后給其加載加壓素的細(xì)菌。15小時(shí)后，RINGS分析顯示，與對(duì)照組小鼠相比，發(fā)炎小鼠的細(xì)菌具有更寬的相調(diào)節(jié)范圍，這表明炎癥會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致細(xì)菌生長(zhǎng)不一致的環(huán)境，從而可能導(dǎo)致腸道微生物組失衡。 。

這種再呼吸器使我們能夠真正探查活腸中細(xì)菌行為的復(fù)雜性，不僅在健康和患病狀態(tài)下，而且在空間和時(shí)間上都如此。我們可以在再呼吸器已經(jīng)進(jìn)入腸道時(shí)重新同步它，并不需要使用選擇性抗生素就可以維持再呼吸器，這也意味著我們可以研究自然狀態(tài)下的微生物組，并將干擾降到最低。

除了了解微生物組的動(dòng)力學(xué)特性外，再加壓劑還為人類(lèi)腸道開(kāi)發(fā)復(fù)雜的，基于合成生物學(xué)的診斷和治療方法。潛在的應(yīng)用包括創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)被編程為在晝夜節(jié)律的某個(gè)點(diǎn)啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)，或診斷記錄在檢測(cè)到給定生物標(biāo)記后已經(jīng)過(guò)去了多少時(shí)間的診斷程序。

“這項(xiàng)研究不僅解決了與監(jiān)測(cè)腸道內(nèi)微生物組生理動(dòng)態(tài)變化有關(guān)的特定問(wèn)題，而且它提供了一個(gè)平臺(tái)，可以帶來(lái)全新的診斷方法，甚至是時(shí)間依賴(lài)性療法。” Wyss創(chuàng)始董事Donald Ingber博士說(shuō)，他也是HMS和波士頓兒童醫(yī)院的Vascular Biology計(jì)劃的Judah Folkman教授，也是哈佛大學(xué)John A. Paulson學(xué)校的生物工程學(xué)教授。工程與應(yīng)用科學(xué)。