新的工具可视化细菌物种在肠道中生活的地方,

 行业动态     |      2021-01-13 08:22

古特微生物在健康和疾病方面起着广泛的作用,但缺乏探索微生物活动与宿主生理学之间关系的工具。4月20日发表在《细胞》杂志上的两
项对小鼠的独立研究克服了这一障碍,通过使它们表达荧光PCR蛋白的独特组合,可以同时可视化肠道中的多种细菌菌株。这种方法使研究人员能够根据细菌发出的彩虹颜色确定肠道中细菌的位置。此外,这些工具还允许实时和特定位置精确控制细菌基因的活动。"我们发现,合成生物学的工具可以让我们提出关于肠道微生物群的新问题,"耶鲁大学医学院的安德鲁·古德曼说,他就是其中一项研究的高级作者。"我们还设想,这些策略可能为按需提供来自微生物群的疗法或其他分子提供了一个起点。

测序技术的进步使得肠道中发现的细菌物种能够进行深入的表征,但操纵肠道微生物群的工具却远远落后。虽然已经开发出用于大肠杆菌等模型生物体的工具,但这些系统在细菌中不起作用,细菌是在美国人肠道内最丰富的属。

在其中一项研究中,斯坦福大学医学院的贾斯汀·松嫩堡和他的团队开发了一种设计细菌的方法,使得同时跟踪肠道中的多个细菌菌株成为可能。这些工具包括一组合成启动子-DNA序列,启动特定基因的转录。利用这个启动子小组,研究人员对六种不同的细菌物种进行基因改造,以产生一种红色荧光蛋白(RFP)和绿色荧光蛋白(GFP)的独特组合。他们把这种工程物种引入在无细菌环境中长大的小鼠体内,两周后,他们用荧光显微镜分析结肠组织部分,以精确定位细菌在肠道不同部位的位置。

在另一项实验中,Sonnenburg和他的团队基因工程了两种细菌菌株,以产生GFP或RFP。然后,他们把RFP表达菌株引入小鼠肠道,一周后引入GFP表达菌株。很明显,RFP表达菌株成功地殖民了结肠,并比GFP表达菌株相得更过,特别是在称为墓穴的管状腺体中。研究结果表明,这些特定肠道结构的殖民化是一个关键步骤,使长期肠道居民能够超过入侵物种。在未来的研究中,Sonnenburg 及其团队将继续开发这些工具,以设计细菌,在精确的时间或位置生产蛋白质。斯坦福大学研究的主要作者韦斯顿·惠特克说:"在商业方面,表达工具可能允许我们在生活在我们体内的微生物中产生治疗性蛋白质,从而将治疗性蛋白质送到肠道。"使用细菌细胞进行药物输送,为在正确的时间和地点生产的智能疗法打开了大门。

在另外一项研究中,耶鲁大学的安德鲁·古德曼(Andrew Goodman)和他的团队还开发了一组合成促进剂,使不同细菌物种的基因活性能够进行微调控制。研究人员利用四环素调节系统将这些促进剂整合到细菌基因组和调节基因活性中,该系统允许转录可根据一种称为无氢四环素的合成化合物的存在而可逆地打开或关闭。在 OFF 状态下,由合成启动子控制的基因活性完全停止,但在无氢环素的存在下,基因活性迅速增加了 9,000。研究人员随后将工程细菌引入小鼠体内,并证实他们的工具允许严格控制肠道细菌的基因活性,只需在小鼠的饮用水中加入不同量的羟基环氨酸即可。

如果推广到人类,这种方法有可能实现治疗化合物的按需交付。此外,通过不同途径(例如,通过时间或pH依赖延迟释放胶囊或通过导管手术)给亚氢环氨酸,可以精确控制胃肠道特定位置的细菌基因活性。在未来的研究中,古德曼和他的团队将他们的系统应用于其他微生物和肠道微生物与其宿主之间的其他类型的相互作用。

Sonnenburg 说:"这些工具为新型研究打开了大门,以更好地了解我们的微生物群,并定义如何为治疗目的设计肠道共生菌。然而,在肠道组合可以设计为治疗之前,开发安全可靠地殖民人类肠道的方法非常重要,这需要更多的研究。