综述：利用合成生物学和代谢工程工具对肠道微生物组进行治疗的工程化改造——以大肠杆菌Nissle 1917为模型案例的全面综述

这篇综述系统阐述了如何通过合成生物学和代谢工程（FMT）改造肠道益生菌（如EcN），为炎症性肠病（IBD）、代谢紊乱（如PKU）和肿瘤等疾病提供精准治疗。文章重点解析了酶工程（PAL/LAAD）、基因回路设计和CRISPR-Cas编辑技术，并展示了临床转化案例（如SYNB1934的II期试验），为活体生物治疗剂（LBP）开发提供了范式。

　　

引言

肠道微生物组通过复杂的代谢网络调控宿主生理功能，其失衡与肥胖、糖尿病、IBD等疾病密切相关。传统粪菌移植（FMT）和益生菌疗法存在疗效不稳定、安全性等问题。近年来，以大肠杆菌Nissle 1917（EcN）为代表的工程菌株通过合成生物学改造，已实现从简单代谢干预（如降解苯丙氨酸）到智能诊疗系统（如肿瘤靶向递药）的跨越式发展。

酶工程与合成生物学工具创新

CRISPR-Cas12a/Cas13等新型编辑技术克服了肠道厌氧菌遗传操作难题，例如在拟杆菌中实现60-100%的基因编辑效率。模块化基因元件如糖诱导启动子和重组酶记忆回路，使工程菌能动态响应肠道环境。图3展示了EcN改造为"乳糖-N-三糖II（LNT II）"生物合成工厂的过程：通过敲除wecB基因阻断竞争途径，过表达lgtA糖基转移酶，最终在发酵罐中获得46.2 g/L产量。

分泌系统优化是另一突破点。研究团队筛选拟杆菌信号肽，使纳米抗体和细胞因子分泌效率提升10倍（图4）。计算模拟指导的代谢网络重构（如增加丁酸合成）则体现了"学习-设计-构建-测试"（LDBT）循环的威力。

疾病治疗应用进展

IBD治疗：EcN表面展示的TNF纳米抗体通过基质结合域锚定在炎症部位，小鼠模型中结肠炎评分降低60%。双菌株分工系统则实现"检测-治疗"联动，其中传感菌通过硫代硫酸盐信号激活治疗菌的IL-10分泌。

感染防控：编程EcN识别铜绿假单胞菌群体感应信号后，精确释放细菌素lytic peptide，在小鼠模型中完全清除病原体。沙门氏菌诱导的微霉素H47分泌系统更展现"按需给药"的智慧。

代谢疾病：SYNB1618工程菌通过苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）将苯丙氨酸转化为无害的马尿酸，临床II期显示患者血苯丙氨酸降低43%。而利用木聚糖诱导的拟杆菌NOV-001，则通过"菌株-膳食纤维"共生关系实现长效定植。

肿瘤治疗：EcN天然富集于肿瘤坏死区，改造后可裂解释放GM-CSF和PD-L1纳米抗体，使小鼠结直肠肿瘤负荷下降50%。其分泌的水杨酸还可作为尿液诊断标志物，实现诊疗一体化。

挑战与展望

尽管EcN在PKU治疗中因个体差异导致III期试验终止，但基础研究仍验证了合成生物学策略的可行性。未来方向包括：1）开发营养缺陷型菌株增强定植特异性；2）构建多菌株人工群落模拟天然微生态；3）通过噬菌体递送实现原位编辑。正如文中图5所示，从概念设计到临床转化的六阶段 pipeline 需要兼顾菌株功能与生产可行性之间的平衡。

这项技术正推动医学进入"活体药物"新时代——通过编程微生物在人体内实时执行代谢、免疫调节等复杂任务，为传统疗法难以企及的疾病提供全新解决方案。