基因编辑技术让细菌变成了人体疾病的“指示剂”

胶体金免疫层析技术，实现了女性怀孕的自我检测。合成生物学技术或可实现肠道炎症的自我检测。

　　

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生物通报道：美国莱斯大学的合成生物学家设计了一种能够自动检测结肠炎的肠道细菌。这种细菌不仅能够用于监测动物（包括人类）的肠道健康，还能用于研究肠道细菌和人类宿主之间相互作用的分子机理，最终帮助人类战胜各种肠道疾病。

由莱斯大学的Jeffrey Tabor团队，贝勒医学院的Robert Britton 和Noah Shroyer团队领导的、最新发表在Molecular Systems Biology杂志上的这篇文章实现了一系列技术上的突破。包括本文第一作者博士后研究员Kristina Daeffler在内的研究小组，成功确认了史上第一个遗传编码的“新型炎症生物标志物”传感器。研究人员将该生物标志物基因插入传感器基因组，创造出首个可以检测小鼠结肠炎的工程细菌。

“肠道中几万亿的共生微生物关系到人类的健康和疾病，”Tabor说。“对肠道这个深藏在腹腔中的器官来说，很少有技术能详细记录肠道情况。另一方面，肠道微生物们早已进化出成千上万的基因编码的传感器，用以探测来自宿主肠道的分子信息。因此，经过基因工程改造的细菌传感器，将在肠道途径研究以及肠道疾病诊断中发挥巨大的潜力。”

对合成生物学家来说，对单个细胞进行基因编辑（如细菌），就像制造机器人。电子工程师们创建电路、电线和电子元件，Tabor团队使用遗传电路（genetic circuits）对单细胞进行编程，让它们能够处理复杂的信息。

之前有研究显示，肠道菌群的改变、遗传易感性、和其他环境因素都可能引发炎症性肠道疾病，包括Crohn氏病和溃疡性结膜炎等。

“基于以前的研究，我们推测肠道炎症反应会导致硫代硫酸钠（thiosulfate）分子量升高，”Daeffler说。“但是也只是推测，因为目前没有一种手段可供我们在活体动物体内监测thiosulfate的含量变化，以及它和炎症反应之间的关系。”

从2015年开始，Daeffler便开始设想：以thiosulfate和其他相关含硫化合物作为结肠炎的分子标志物，然后再设计一个细菌传感器来检测这些分子标志物的真实效果。在当时，使大肠杆菌在某种特定的刺激下表达绿色荧光蛋白（GFP）的技术已经相当成熟。但是，在任何生物中，没有哪种已知的基因能够被用于感知硫代硫酸盐，更别提其他含硫化合物了。

“我们明明知道肠道硫代谢和肠炎之间存在联系。因此，我们必须找到一种能够准确地监测硫代谢产物的方法，才能更好地对结肠炎症进行诊断。”Daeffler说。

Ravi Sheth是Tabor实验室的一位本科生，也是本论文的三作，他用计算机程序在希瓦氏菌（Shewanella）基因组内鉴定了一个潜在的thiosulfate和硫化物感受器。这是一种生活在海洋沉积物中的细菌，研究组认为它可能通过感知含硫化合物分子，来控制相关酶类的开启。

Daeffler花了一年的时间将希瓦氏菌的硫化物感受器编辑到大肠杆菌，在体外验证了它的功能，通过补充egfp基因优化了它们对潜在生物标志物的报告功能。又花了一年进行体外验证以及结肠炎小鼠模型的体内验证。

研究人员给健康小鼠和结肠炎小鼠分别口服了两滴细菌培养基（约含10亿传感器细菌）。6个小时后，测量了各组小鼠体内细菌的活性——检测小鼠粪便中的绿色荧光蛋白。虽然肉眼我们无法分清健康小鼠和结肠炎小鼠的粪便究竟有什么区别，但是利用一种被称为“流式细胞仪”的标准实验仪器可以很容易地检测出各组粪便中的含GFP的细胞。（立即索取成像流式细胞仪的详细资料）

研究人员发现，该工程菌的GFP的表达在结肠炎小鼠体内被激活了，而健康小鼠并未检测到GFP的激活。此外，研究人员还发现，炎症越多的小鼠，被激活的传感器就越多。

Tabor说，研究表明：肠道微生物能够被改造成具有传感器功能的工程细菌，该工程菌可用于非入侵性的特定代谢产物的定量检测，这一发现将打开许多有关肠道研究的大门。

尽管对人类结肠炎来说，我们现在仍然未知硫代硫酸钠传感器是否依然有效，但是经过几年的发展，相信科学家们终将会设计出用于人类结肠炎诊断的工程细菌，而绿色荧光蛋白也可以被替换成某个能产生颜料的酶类，使其在人体上的检测更加安全便捷。

Tabor说：“我们希望开发一种家庭式的炎症测试，一个容易患结肠炎的人只需吃下含有工程菌的酸奶，如果在厕所里看到蓝色色素，就代表肠道已经发炎，需要及时治疗。这样的测试可以减少不必要的就医开支（如定期到医院体检），以及不必要的检查程序（通常花费高昂且为入侵式）。”

为了实现这一目标，Tabor团队已经和贝勒大学的肠胃病专家展开相关合作。

原文标题：Engineering bacterial thiosulfate and tetrathionate sensors for detecting gut inflammation

 

生物通：欧阳沐