腸道微生物在健康和疾病中發(fā)揮著廣泛的作用，但缺乏探測微生物活動(dòng)與宿主生理學(xué)之間關(guān)系的工具。4月20日在Cell雜志上發(fā)表的兩項(xiàng)小鼠獨(dú)立研究克服了這一障礙，通過使它們表達(dá)熒光蛋白的獨(dú)特組合，可以同時(shí)顯現(xiàn)腸道中的多種細(xì)菌菌株。這種方法使研究人員能夠根據(jù)它們發(fā)出的彩虹色，精確定位腸道內(nèi)細(xì)菌的位置。此外，這些工具還允許實(shí)時(shí)和特定位置精確控制細(xì)菌基因的活動(dòng)。

“我們發(fā)現(xiàn)合成生物學(xué)的工具可以讓我們提出關(guān)于腸道微生物群的新問題，”其中一項(xiàng)研究的資深作者耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的安德魯古德曼說。“我們還想象這些策略可能為按需提供微生物群中的治療藥物或其他分子提供了一個(gè)起點(diǎn)。”

測序技術(shù)的進(jìn)步使得能夠?qū)δc道中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌物種進(jìn)行深入表征，但是操縱腸道微生物組的工具遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。雖然已經(jīng)開發(fā)出用于模擬生物如大腸桿菌的工具，但這些系統(tǒng)在擬桿菌中不起作用，擬桿菌是美國人口內(nèi)最豐富的屬。

在其中一項(xiàng)研究中，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Justin Sonnenburg和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種工程化Bacteroides的方法，可以同時(shí)追蹤腸道中的多種細(xì)菌菌株。這些工具包括一組合成啟動(dòng)子 - 啟動(dòng)特定基因轉(zhuǎn)錄的DNA序列。

研究人員利用這一系列啟動(dòng)子，對(duì)六種不同的擬桿菌種進(jìn)行基因工程，以產(chǎn)生一種名為mCherry和綠色熒光蛋白(GFP)的紅色熒光蛋白(RFP)的獨(dú)特組合。他們將工程化物種引入在無菌環(huán)境中培養(yǎng)的小鼠中，兩周后，他們使用熒光顯微鏡分析結(jié)腸組織切片，以確定細(xì)菌在腸道不同部位的位置。

在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，Sonnenburg和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)兩種擬桿菌菌株進(jìn)行了基因工程改造，以生產(chǎn)GFP或RFP。然后他們將表達(dá)RFP的菌株引入小鼠腸道，然后在一周后將表達(dá)GFP的菌株引入小鼠腸道。很明顯，表達(dá)RFP的菌株成功地定殖結(jié)腸并且勝過表達(dá)GFP的菌株，特別是在稱為隱窩的管狀腺體中。研究結(jié)果表明，這些特定腸道結(jié)構(gòu)的定植是一個(gè)關(guān)鍵步驟，使長期腸道居民能夠勝過入侵物種。

在未來的研究中，Sonnenburg及其團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)開發(fā)這些工具，以設(shè)計(jì)細(xì)菌在精確的時(shí)間或地點(diǎn)生產(chǎn)蛋白質(zhì)。斯坦福研究的第一作者韋斯頓惠特克說：“在商業(yè)方面，表達(dá)工具可以讓我們通過在我們體內(nèi)生存的微生物中生產(chǎn)治療性蛋白質(zhì)。”“使用細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行藥物輸送打開了在正確的時(shí)間和地點(diǎn)生產(chǎn)的智能療法的大門。”

在另一項(xiàng)研究中，耶魯大學(xué)的Andrew Goodman及其團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一組合成啟動(dòng)子，能夠微調(diào)控制不同擬桿菌屬中的基因活性。研究人員將這些啟動(dòng)子整合到擬桿菌基因組中并使用四環(huán)素調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因活性，該系統(tǒng)允許轉(zhuǎn)錄根據(jù)稱為無水四環(huán)素的合成化合物的存在而可逆地打開或關(guān)閉。

在OFF狀態(tài)下，由合成啟動(dòng)子控制的基因活性被完全關(guān)閉，但在無水四環(huán)素的存在下，基因活性迅速增加了9,000倍。研究人員接下來將工程菌引入小鼠，并證實(shí)他們的工具可以嚴(yán)格控制腸道細(xì)菌中的基因活性，只需在小鼠的飲用水中加入不同量的無水四環(huán)素即可。

如果擴(kuò)展到人類，這種方法可以潛在地實(shí)現(xiàn)治療化合物的按需遞送。此外，通過不同途徑給予無水四環(huán)素，例如通過時(shí)間或pH依賴性延遲釋放膠囊或通過導(dǎo)管插入手術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)胃腸道中特定位置的細(xì)菌基因活性的精確控制。在未來的研究中，古德曼和他的團(tuán)隊(duì)將他們的系統(tǒng)應(yīng)用于腸道微生物與其宿主之間的其他微生物和其他類型的相互作用。

“這些工具為新類型的研究打開了大門，以更好地了解我們的微生物群，并確定如何為治療目的設(shè)計(jì)腸道共生細(xì)菌，”Sonnenburg說。“然而，在腸道共生體可以用于治療之前，開發(fā)安全可靠地定殖人體腸道的方法將是非常重要的，這將需要更多的研究。”