新细菌生物传感器监测肠道健康

数百万人服用益生菌胶囊的目的是改善消化，但如果这些细菌也能检测肠道疾病，并指出什么地方出了问题，情况会怎样呢?Wyss研究所的一项新的研究在哈佛大学和哈佛医学院(HMS)创建了一个有效的、非侵入性的方式来快速识别新细菌生物传感器可以识别和报告各种肠道疾病的诱因,帮助奠定了消化系统健康监测和治疗的新方向。论文发表在mSystems上。

新细菌生物传感器监测肠道健康

研究背景

“我们对人类肠道微生物群行为的了解仍处于早期阶段，这阻碍了从活细菌中制造生物传感器的大规模研究,”伦敦帝国理工学院的David Riglar博士说。“这项工作提供了一个高通量的平台，可以识别对肠道内不同信号做出反应的细菌中的遗传元素，这让我们离设计细菌中的复杂信号通路又近了一步，从而使它们能够长期检测甚至治疗疾病。”

新细菌生物传感器监测肠道健康

研究内容

这个新平台是在Wyss创始核心成员Pamela Silver博士实验室之前工作的基础上建立起来的。设计了一个基因回路，由一种从病毒中提取的“记忆元素”和一种合成的“触发元素”组成，它们可以检测并记录给定刺激的存在——最初是一种失活的抗生素四环素。合成电路被整合到大肠杆菌的基因组中，这些基因组被导入活老鼠体内，然后注入四环素。抗生素导致细菌回路中的触发元件激活记忆元件，记忆元件像开关一样“翻转”，“打开”一个星期，以便细菌“记住”四环素的存在。然后，通过对动物粪便进行非侵入性分析，很容易读取“打开”信号。

接下来，研究小组证明，该电路可以被调整，以检测和报告四硫酸盐（炎症分子一种表明炎症存在的自然发生的分子）在被引入动物体内后，在活老鼠的肠道内停留长达6个月，表明他们的系统可以用来监测信号，这将有助于长期诊断肠道疾病状态。

但是四硫酸盐只是一个分子;为了开发新的基于细菌的诊断方法，研究人员需要一种方法来快速测试不同的潜在触发因素，看看它们能否对更多的疾病信号做出反应。

首先，他们修改了基因回路，添加了一种耐抗生素基因，当记忆元素进入“开启”状态时，这种基因就会被激活，让“记住”的细菌在接触抗生素高光霉素后存活下来。为了在各种分子信号下测试他们更新的电路，他们创建了一个不同大肠杆菌菌株的文库，每个菌株的基因组中都含有记忆元件和一个独特的触发元件。然后将这些菌株导入活老鼠的肠道，观察是否有任何触发因子被老鼠肠道内的物质激活。当他们将老鼠粪便样本中的细菌放在含有高光霉素的培养基中培养时，他们发现许多菌株在生长，这表明它们的记忆元素在老鼠体内的传代过程中被激活了。其中两种菌株表现出一致的激活，即使是在单独给小鼠的情况下，这表明它们是被小鼠肠道内的条件激活的，可以作为肠道特异性信号的传感器。

研究人员用一个更小的大肠杆菌菌株库重复了这个实验，这些菌株的触发因子是被认为与炎症有关的基因序列，其中10个在小鼠体内传递过程中被激活。当这个库管理老鼠肠道炎症,一个特定的菌株表现出更强的记忆在小鼠炎症反应与健康小鼠相比,确认它能够成功地记录在小鼠肠道炎症生物分子的存在,因此可以作为监测胃肠道的健康生活。

新细菌生物传感器监测肠道健康

转化

“这种方法的优点是,它允许我们识别已经存在在自然界的生物传感器,我们无法设计自己,因为如此多的细菌基因组的作用和调节仍然是未知的,”第一作者Alexander Naydich说。“我们真的在利用微生物群令人难以置信的遗传多样性，快速有效地找到潜在的解决方案。”

系该系统的其他功能还包括记录肠道内长期或短暂发生的信号，以及以合成核糖体结合位点(RBS)序列形式的可调灵敏度，这些序列被设计成触发元件，可以控制启动子在响应信号时诱导“打开”内存状态的速率。这些功能允许对细菌生物传感器进行微调，以便在很长一段时间内检测肠道内的特定情况。

“我们已经能够将这项技术从一个测试一件事的工具提升到一个可以同时测试多个事情的工具，这不仅有助于识别新的潜在生物传感器而且它可能会被开发成一种类似益生菌的药丸，里面含有复杂的细菌群,同时记录多个信号，使临床医生能够对疾病进行“指纹识别”，从而更有信心做出诊断，”哈佛大学生物化学和系统生物学教授Pamela Silver说。

“Silver团队在开发基于微生物基因重组的活细胞设备方面取得的持续进展，代表了一种全新的低成本诊断方法。这种方法有可能从根本上改变我们与生物系统的互动和控制方式，包括我们自己的身体。“Donald Ingber说到，他也是哈佛大学医学院(HMS)血管生物学教授、波士顿儿童医院(Boston Children’s Hospital)血管生物学项目教授、哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)生物工程教授。

引用

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard. "Take two E. coli and call me in the morning: Synthetic bacterial memory circuits enable microbial diagnostics for sensing biomolecules in the gut." ScienceDaily. ScienceDaily, 28 June 2019.
www.sciencedaily.com/releases/2019/06/190628120435.htm.