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在细菌中创造的基本计算元素

消化系统中的“友好”细菌正在升级,有一天可能会让它们被编程以检测并最终治疗结肠癌和免疫疾病等疾病。

在“细胞系统”杂志上发表的一篇论文中,麻省理工学院的研究人员推出了一系列传感器,记忆开关和电路,这些传感器可以在常见的人体肠道细菌Bacteroides thetaiotaomicron中编码。

这些基本计算元件将允许细菌感知,记忆和响应肠道中的信号,未来的应用可能包括炎症性肠病或结肠癌的早期检测和治疗。

研究人员之前已在大肠杆菌等模式生物体内构建了遗传回路。然而,根据生物工程和电气工程与计算机科学副教授蒂莫西·卢(Timothy Lu)的说法,这种菌株只能在人体肠道中发现低水平,他与麻省理工学院生物工程教授克里斯托弗沃伊特一起领导了这项研究。

“我们希望使用像B.thetaiotaomicron这样的菌株,它们存在于许多人中,水平很高,可以长时间稳定地定居肠道,”Lu说。

该团队开发了一系列遗传部分,可用于精确编程细菌内的基因表达。“利用这些部件,我们构建了四个传感器,这些传感器可以编码在细菌的DNA中,这些传感器可以响应信号,在B. thetaiotaomicron内部切换基因,”Voigt说。

Voigt补充说,它们可以是食品添加剂,包括糖类,可以让食物受到宿主食用的控制。

细菌“记忆”

为了感知和报告肠道病理,包括出血或炎症的迹象,细菌需要记住这些信息并在外部报告。为了使他们能够做到这一点,研究人员为B. thetaiotaomicron配备了一种遗传记忆。他们使用了一类称为重组酶的蛋白质,它可以通过识别特定的DNA地址并反转它们的方向将信息记录到细菌DNA中。

研究人员还实施了一种名为CRISPR干扰的技术,可用于控制细菌中哪些基因被打开或关闭。研究人员用它来调节B.thetaiotaomicron消耗特定营养素并抵抗抗菌分子杀死的能力。

研究人员证明,他们的一套基因工具和开关在B. thetaiotaomicron定居于小鼠肠道内。当小鼠喂食含有正确成分的食物时,他们发现细菌可以记住小鼠吃的东西。

扩展的工具包

研究人员现在计划将其工具的应用扩展到不同种类的拟杆菌。这是因为肠道的微生物组成因人而异,这意味着特定物种可能是一名患者的主要细菌,但在其他患者中则不然。

“我们的目标是将我们的遗传工具包扩展到广泛的细菌,这些细菌是人类肠道中重要的共生生物,”Lu说。

他补充说,使用微生物来感知和应对疾病迹象的概念也可用于身体的其他部位。

此外,可以在Bacteroides中的这种遗传工具包上构建更先进的遗传计算电路,以增强其作为非侵入性诊断和治疗的性能。

“例如,我们希望在用工程菌诊断疾病时具有高灵敏度和特异性,”Lu说。“为了实现这一目标,我们可以设计细菌来检测多种生物标记物,并且只有在它们全部存在时才会触发响应。”

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