萊斯大學(xué)的合成生物學(xué)家設(shè)計(jì)了能夠感知結(jié)腸炎的腸道細(xì)菌，這是一種結(jié)腸炎癥。該研究指出了研究腸道細(xì)菌和人類宿主如何在分子水平上相互作用并最終導(dǎo)致口服可攝入細(xì)菌監(jiān)測腸道健康和疾病的新實(shí)驗(yàn)。

該研究發(fā)表在分子系統(tǒng)生物學(xué)的一項(xiàng)新研究中，涉及萊斯生物工程和生物科學(xué)助理教授杰弗里塔博爾的實(shí)驗(yàn)室的一系列突破，以及貝勒醫(yī)學(xué)院的合作者羅伯特布里頓和諾亞施羅耶的重要貢獻(xiàn)。 。Tabor的團(tuán)隊(duì)，包括首席合著者和博士后研究員Kristina Daeffler，確定了第一個(gè)與炎癥相關(guān)的新型生物標(biāo)記物的遺傳編碼傳感器，將傳感器的基因插入研究良好的腸道細(xì)菌中，并與Shroyer和Britton合作使用工程菌檢測小鼠結(jié)腸炎癥。

塔博爾說：“腸道中含有數(shù)萬億微生物，它們在健康和疾病中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。”“但是，它是一個(gè)黑暗且相對難以接近的地方，很少有技術(shù)可以用來詳細(xì)研究這些過程。另一方面，細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出成千上萬的遺傳編碼傳感器，其中許多傳感器感知腸道連鎖分子。因此，基因工程傳感器細(xì)菌具有研究腸道和診斷腸道疾病的巨大潛力。“

像Tabor這樣的合成生物學(xué)家專門研究細(xì)菌等單細(xì)胞生物，就像工程師對機(jī)器人編程一樣。特別是，Tabor的團(tuán)隊(duì)正致力于開發(fā)能夠檢測腸道疾病信號的細(xì)菌傳感器。像電線和電子元件構(gòu)建電路的電氣工程師一樣，Tabor的團(tuán)隊(duì)使用遺傳電路對單細(xì)胞生物進(jìn)行編程，以進(jìn)行復(fù)雜的信息處理。

以前的研究表明，腸道微生物群，遺傳易感性和其他環(huán)境因素的改變可能在炎癥性腸病中發(fā)揮關(guān)鍵作用，這種疾病包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎，并且影響多達(dá)160萬美國人。

“基于之前的一些研究，我們假設(shè)在結(jié)腸炎期間硫代硫酸鹽分子可能會升高，”Daeffler說。“科學(xué)家們很難研究這種聯(lián)系，因?yàn)闆]有工具可以可靠地測量活體動物體內(nèi)的硫代硫酸鹽。我們在這個(gè)項(xiàng)目中的第一個(gè)目標(biāo)是設(shè)計(jì)這樣一個(gè)工具。”

Daeffler說，從2015年項(xiàng)目開始，該想法就是使用傳感器細(xì)菌，在這種情況下是一種工程形式的大腸桿菌，來感知硫代硫酸鹽和相關(guān)的含硫化合物，這些化合物也可能是結(jié)腸炎的生物標(biāo)志物。有大量的方法可以編程大腸桿菌來產(chǎn)生響應(yīng)特定刺激的熒光綠色蛋白質(zhì)，但是在任何生物體中都沒有已知的基因 - 用于感知硫代硫酸鹽，而其他化合物則很少。

“腸道硫代謝與炎癥之間存在聯(lián)系，我們知道我們需要能夠準(zhǔn)確地測量硫代謝物以診斷結(jié)腸炎癥，”她說。

塔博爾說，該研究的共同作者，2015年該小組的本科研究員Ravi Sheth使用計(jì)算機(jī)程序來識別Shewanella基因組中潛在的硫代硫酸鹽和其他硫化合物傳感器，Shewanella是一種生活在海洋沉積物中的細(xì)菌。塔博爾的研究小組認(rèn)為，希瓦內(nèi)拉可能會呼吸這些分子并使用傳感器在他們面前打開適當(dāng)?shù)拿浮?/p>

Daeffler花了一年的工程大腸桿菌來表達(dá)傳感器基因，驗(yàn)證它們的功能并優(yōu)化它們以通過產(chǎn)生綠色熒光蛋白信號來響應(yīng)潛在的生物標(biāo)記物。花了一年時(shí)間才證明該系統(tǒng)在小鼠體內(nèi)發(fā)揮作用并檢測到結(jié)腸炎癥。

研究人員向健康小鼠和患有結(jié)腸炎的小鼠口服兩滴含有約十億傳感器細(xì)菌的滴劑。他們在六小時(shí)后測量了每組中傳感器細(xì)菌的活性。綠色熒光蛋白出現(xiàn)在小鼠的糞便中。雖然肉眼看不見，但可以用稱為流式細(xì)胞儀的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室儀器輕松測量。

研究小組發(fā)現(xiàn)硫代硫酸鹽傳感器在炎癥小鼠中被激活，并且在健康小鼠中未被激活。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，小鼠的炎癥越多，傳感器的激活就越多。

Tabor說，這項(xiàng)研究表明腸道細(xì)菌可以配備工程傳感器，并用于非侵入性地測量特定的代謝物，這一結(jié)果可以為許多新的研究打開大門，這些研究可以幫助闡明廣泛的腸道過程。

塔博爾說，雖然它可能需要幾年的開發(fā)時(shí)間，而且目前尚不清楚硫代硫酸鹽是否是人類結(jié)腸炎的生物標(biāo)志物，傳感器細(xì)菌最終可能會被重新設(shè)計(jì)，以起到人類結(jié)腸炎的診斷作用。特別地，綠色熒光蛋白可以用產(chǎn)生有色顏料的酶代替。

“我們希望開發(fā)一種家庭炎癥測試，其中一個(gè)容易發(fā)生結(jié)腸炎突然發(fā)作的人會吃含有工程菌的酸奶，如果生病了就會看到廁所里的藍(lán)色素，”他說。

塔博爾說，這樣的測試可以減少不必要的和昂貴的醫(yī)生旅行和不需要的結(jié)腸鏡檢查程序，這既昂貴又具有侵入性。他說他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始與貝勒的胃腸病學(xué)家合作以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。