數(shù)以百萬計的人服用益生菌膠囊，目的是改善他們的消化，但如果這些細菌能夠檢測到腸道內(nèi)的疾病并指出什么時候出現(xiàn)問題呢?哈佛大學Wyss研究所和哈佛醫(yī)學院(HMS)的一項新研究創(chuàng)造了一種有效的，非侵入性的方法來快速識別新的細菌生物傳感器，這種生物傳感器可以識別并報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)測和治療的新前沿。“我們對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)在領導一個研究小組，作為倫敦帝國理工學院的亨利戴爾研究員。“這項工作提供了一個高通量平臺，用于鑒定細菌中對腸道中不同信號有反應的遺傳因素，使我們更接近于在細菌中設計復雜的信號傳導途徑，使其能夠長期檢測甚至治療疾病。”

新平臺建立在Wyss Founding Core Faculty Pamela Silver博士實驗室的前期工作基礎之上。設計了一種遺傳回路，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鸺毦芈分械挠|發(fā)元件激活記憶元件，記憶元件像開關(guān)一樣“翻轉(zhuǎn)”長達一周，以便細菌“記住”四環(huán)素的存在。“上”

研究小組接著證實，該電路可以進行調(diào)整，以檢測并報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)，在被引入動物后長達六個月，表明它們的系統(tǒng)可以用于監(jiān)測對于長期診斷腸道疾病狀態(tài)有用的信號。

但連四硫酸鹽只是一個分子; 為了開發(fā)新的基于細菌的診斷，研究人員需要一種快速測試不同潛在觸發(fā)因素的方法，以確定它們是否能夠?qū)Ω嗉膊⌒盘栕龀龇磻?/p>

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)時被激活，允許“記住”觸發(fā)的細菌在暴露于抗生素壯觀霉素后存活。為了測試針對各種分子信號的更新電路，他們創(chuàng)建了一個不同大腸桿菌菌株庫，每個菌株都含有記憶元件和基因組中獨特的觸發(fā)元件。然后將該細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。當他們在含有壯觀霉素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)小鼠糞便樣品中的細菌時，他們發(fā)現(xiàn)許多菌株生長了，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的傳感器。

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

“這種方法的優(yōu)點在于它可以讓我們識別自然界中已存在的生物傳感器，我們無法自行設計，因為細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位。在銀實驗室。“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期或短暫發(fā)生的信號的能力，以及設計成觸發(fā)元件的合成核糖體結(jié)合位點(RBS)序列形式的可調(diào)節(jié)靈敏度，其可以控制其中的速率。啟動器可以響應信號誘導“開”存儲狀態(tài)。這些功能允許細菌生物傳感器的微調(diào)，以在長時間內(nèi)檢測腸道內(nèi)的特定條件。

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

“Silver團隊在基于微生物組遺傳再造的活細胞設備開發(fā)方面取得的持續(xù)進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Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學項目，以及生物工程學教授。哈佛大學的John A. Paulson工程與應用科學學院。