盡管人類微生物組在過去幾年中受到了人們的廣泛關注，但此類研究的一個方面很少成為頭條新聞：難以觀察其隨各種刺激而隨時間變化的情況。最常見的分析方法是從糞便樣本中提取細菌，然后對它們的基因組進行測序，但是這種方法雖然具有最小的侵入性，但卻會丟失有關腸道中細菌發(fā)生的位置和時間的關鍵信息，從而為科學家提供了關于腸道動態(tài)的不完整信息。微生物組。

現(xiàn)在，由哈佛大學懷斯生物啟發(fā)工程研究所和哈佛醫(yī)學院(HMS)的研究人員創(chuàng)建的一種新工具以一組細菌基因的形式提供了解決此問題的方法，這些細菌基因被設計用于檢測和記錄變化隨著時間的流逝，活細胞小鼠腸道中不同細菌群的生長會隨著時間的增長而變化，并且可以作為基于合成生物學的復雜診斷和治療方法的平臺，用于腸道中的各種應用。該研究發(fā)表在《自然通訊》上。

保持時間

該系統(tǒng)使用振蕩基因電路，稱為再加壓器，作為一種測量細菌生長的遺傳鐘。該再調(diào)控因子由三個細菌基因組成，這些細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。這些基因被鏈接到一個負反饋回路中，因此當一種阻遏蛋白的濃度降至某個水平以下時，其被阻遏的蛋白就會被表達，從而阻止了第三種蛋白的表達，并且該過程在一種周期性的方式。

當將所有三個基因都插入質(zhì)粒并引入細菌后，完成的負反饋循環(huán)次數(shù)可以作為細菌經(jīng)歷了多少次細胞分裂的記錄。每當細菌分裂時，存在于細胞質(zhì)中的任何阻遏蛋白都會被稀釋，因此它們的濃度會逐漸下降并觸發(fā)阻遏蛋白循環(huán)中下一個蛋白的表達。至關重要的是，無論細菌生長有多快或多慢，在15.5個細菌世代之后，重復加壓循環(huán)都會重復。這使其可以像時鐘或手表一樣用作客觀的時間度量。

“想像一下，如果您有兩個人戴著兩個不同的手表，而一個人的手表上的第二只手的移動速度是另一個人的兩倍，”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)在擔任倫敦帝國學院的亨利·戴爾·費爾爵士的研究小組的負責人。“如果您在兩小時后停下兩只手表，它們將無法確定現(xiàn)在的時間，因為它們的時間量度會根據(jù)秒針的移動速度而變化。相反，我們的穩(wěn)壓器就像一只手表，總是在相同的速度，因此無論有多少人穿著同一衣服，他們都將提供一致的時間測量。這種質(zhì)量使我們能夠更精確地研究腸道中細菌的行為。”

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)，并開發(fā)了一種稱為RINGS(單細胞水平基于阻抑劑的生長推斷)的成像工作流程，以追蹤細菌生長過程中不同時間點表達的蛋白。賴格拉爾說：“隨著細菌菌落的向外生長，阻遏物回路產(chǎn)生了這些不同的熒光，樹環(huán)狀特征，基于這些阻遏蛋白在起始菌落的單一細菌中具有活性。” “熒光環(huán)的模式記錄了自生長開始以來發(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菌之間和不同環(huán)境下的生長速率如何變化。”

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

追蹤變化

為了評估增效劑在體內(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菌。引入后，該穩(wěn)壓器保持活躍狀態(tài)??長達16天，這表明在活體哺乳動物中，腸道細菌中可以維持長期的振蕩基因表達。RINGS分析成功地檢測出細菌生長模式的變化，并且通過給小鼠提供一種在其飲用水中停止給定階段的復活周期的化合物，可以“同步化”其復活回路處于不同階段的細菌。

最后，研究人員測試了調(diào)節(jié)器檢測腸道炎癥引起的細菌生長速率差異的能力。給小鼠一種誘導炎癥的化合物，然后給其加載加壓素的細菌。15小時后，RINGS分析顯示，與對照組小鼠相比，發(fā)炎小鼠的細菌具有更寬的相調(diào)節(jié)范圍，這表明炎癥會產(chǎn)生導致細菌生長不一致的環(huán)境，從而可能導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菌行為的復雜性，不僅在健康和患病狀態(tài)下，而且在空間和時間上都如此。我們可以在再呼吸器已經(jīng)進入腸道時重新同步它，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力學特性外，再加壓劑還為人類腸道開發(fā)復雜的，基于合成生物學的診斷和治療方法。潛在的應用包括創(chuàng)建一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)被編程為在晝夜節(jié)律的某個點啟動基因轉(zhuǎn)錄級聯(lián)，或診斷記錄在檢測到給定生物標記后已經(jīng)過去了多少時間的診斷程序。

“這項研究不僅解決了與監(jiān)測腸道內(nèi)微生物組生理動態(tài)變化有關的特定問題，而且它提供了一個平臺，可以帶來全新的診斷方法，甚至是時間依賴性療法。” Wyss創(chuàng)始董事Donald Ingber博士說，他也是HMS和波士頓兒童醫(yī)院的Vascular Biology計劃的Judah Folkman教授，也是哈佛大學John A. Paulson學校的生物工程學教授。工程與應用科學。