人类消化系统中“友好”的细菌正在获得升级，这或许有朝一日使其能够被编程，用于检测并最终治疗结肠癌和免疫紊乱等疾病。
麻省理工学院的研究人员在今日发表于期刊 《Cell Systems》的一篇论文中，展示了一系列可编码于人类肠道常见细菌 Bacteroides thetaiotaomicron中的传感器、记忆开关和电路。
这些基础计算元件将使细菌能够感知、记录并响应肠道中的信号，未来的应用可能包括对炎症性肠病或结肠癌的早期检测与治疗。
研究人员此前曾在诸如 E. coli等模式生物中构建基因电路。然而，据生物工程和电气工程与计算机科学副教授 Timothy Lu 介绍，此类菌株在人体肠道中仅以低水平存在。Lu 与麻省理工学院生物工程教授 Christopher Voigt 共同领导了该研究。
“我们希望使用像 B. thetaiotaomicron 这样的菌株，它们在许多人体内含量丰富，并能长期稳定地定植于肠道中。”Lu 说。
研究团队开发了一系列基因元件，可用于精确编程细菌内的基因表达。“利用这些元件，我们构建了四种可编码于该细菌 DNA 中的传感器，它们能够响应信号，在 B. thetaiotaomicron内开启或关闭基因。”Voigt 说。
这些信号可以是食品添加剂，包括糖类，使细菌能够受宿主所摄入食物的控制，Voigt 补充道。
细菌的“记忆”
为了感知并报告肠道中的病变，包括出血或炎症迹象，细菌需要记住这些信息并将其传递到体外。为使其能够做到这一点，研究人员为 B. thetaiotaomicron 配备了一种基因记忆形式。他们使用了一类称为重组酶的蛋白质，它们通过识别特定的 DNA 位点并使其方向反转，从而将信息记录到细菌 DNA 中。
研究人员还采用了一种称为 CRISPR 干扰的技术，可用于控制细菌中哪些基因被开启或关闭。研究人员利用该技术调控 B. thetaiotaomicron 摄取特定营养物质的能力，以及抵抗抗菌分子杀伤的能力。
研究人员证明，其这套基因工具和开关在定植于小鼠肠道的 B. thetaiotaomicron 中发挥了作用。当小鼠进食含有合适成分的食物时，研究显示这些细菌能够记住小鼠所吃的食物。
拓展工具包
研究人员目前计划将其工具的应用扩展至不同种类的 Bacteroides。这是因为肠道微生物组成因人而异，这意味着某一特定物种可能在一名患者体内占主导地位，而在其他患者体内则并非如此。
“我们旨在将基因工具包扩展至人类肠道中众多重要的共生微生物，”Lu 说。
他补充说，利用微生物感知并响应疾病迹象的理念，也可应用于人体其他部位。
此外，可以在该基因工具包的基础上，在 Bacteroides 中构建更先进的基因计算电路，以提升其作为无创诊断和治疗手段的性能。
“例如，我们希望利用工程化细菌进行疾病诊断时具有高灵敏度和高特异性，”Lu 说。“为此，我们可以对细菌进行工程改造，使其检测多种生物标志物，并且只有在所有标志物均存在时才触发反应。”
未参与该研究的伦敦帝国理工学院合成生物学中心组长 Tom Ellis 表示，该论文汲取了许多为合成生物学应用开发的最佳工具，这些工具原本用于 E. coli ，并将其转而用于一类常见的肠道细菌。
“尽管其他研究已开发出用于在细菌中构建基因电路或生物传感器的工具与应用，随后将这些细菌置入肠道，但本论文脱颖而出，它首先对 Bacteroides 属的一员进行了工程改造，该属是我们肠道中最常见的细菌类型，”Ellis 说。
Ellis 说，目前该研究仅在小鼠中证明了该方法的有效性，要获批用于人体，仍有很长的路要走。
他表示，然而，这篇论文确实开启了一种可能性：未来或许能让工程化细胞长期驻留于我们的肠道中。“这些细胞可以执行感知与记录等任务，甚至可以在需要时就地合成治疗性分子。”
本文与 MIT合作发布。刊发本文并不代表世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Helen Knight，为 MIT News 撰稿。
图片：显微镜下的肠道细菌。REUTERS
