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合成细菌记忆电路使微生物诊断能够检测肠道中的生物分子

数以百万计的人服用益生菌胶囊,目的是改善他们的消化,但如果这些细菌能够检测到肠道内的疾病并指出什么时候出现问题呢?哈佛大学Wyss研究所和哈佛医学院(HMS)的一项新研究创造了一种有效的,非侵入性的方法来快速识别新的细菌生物传感器,这种生物传感器可以识别并报告肠道中各种疾病触发因素的存在,从而帮助建立阶段为消化健康监测和治疗的新前沿。该论文发表在mSystems上。

“我们对人体肠道微生物组如何表现的理解仍处于早期阶段,这阻碍了大规模研究用活细菌制造生物传感器,”Wyss Institute前博士后大卫Riglar博士说。 HMS现在领导一个研究小组,作为伦敦帝国理工学院的亨利戴尔研究员。“这项工作提供了一个高通量平台,用于鉴定细菌中对肠道中不同信号有反应的遗传因素,使我们更接近于在细菌中设计复杂的信号传导途径,使其能够长期检测甚至治疗疾病。”

新平台建立在Wyss Founding Core Faculty Pamela Silver博士实验室的前期工作基础之上。设计了一种遗传回路,由来自病毒的“记忆元件”和合成的“触发元件”组成,它们可以共同检测和记录给定刺激物的存在 - 最初是抗生素四环素的失活形式。将合成回路整合到大肠杆菌细菌的基因组中,将其引入活的小鼠中,然后给予四环素。抗生素引起细菌回路中的触发元件激活记忆元件,记忆元件像开关一样“翻转”长达一周,以便细菌“记住”四环素的存在。“上”

研究小组接着证实,该电路可以进行调整,以检测并报告活的小鼠肠道中的四硫酸盐(一种表明存在炎症的天然分子),在被引入动物后长达六个月,表明它们的系统可以用于监测对于长期诊断肠道疾病状态有用的信号。

但连四硫酸盐只是一个分子;为了开发新的基于细菌的诊断,研究人员需要一种快速测试不同潜在触发因素的方法,以确定它们是否能够对更多疾病信号做出反应。

首先,他们通过添加抗生素抗性基因来修改遗传回路,该基因在记忆元件被翻转到其“开启”状态时被激活,允许“记住”触发的细菌在暴露于抗生素壮观霉素后存活。为了测试针对各种分子信号的更新电路,他们创建了一个不同大肠杆菌菌株库,每个菌株都含有记忆元件和基因组中独特的触发元件。然后将该细菌菌株文库引入活小鼠的肠内,以观察是否有任何触发元件被小鼠肠道中的物质激活。当他们在含有壮观霉素的培养基中培养小鼠粪便样品中的细菌时,他们发现许多菌株生长了,表明他们的记忆元素在通过老鼠的过程中已被打开。特别是两种菌株显示出一致的活化,即使是小鼠单独给予它们,也表明它们被小鼠肠道内的条件激活,可以作为肠道特异性信号的传感器。

研究人员使用较小的大肠杆菌菌株重复实验,其触发因子是被认为与炎症相关的基因序列,其中10个在通过小鼠的过程中被激活。当该文库被用于患有肠道炎症的小鼠时,与健康小鼠相比,一种特定菌株在炎症小鼠中表现出更强的记忆反应,证实它能够成功记录小鼠肠道中炎性生物分子的存在,从而可以服务作为胃肠健康的生活监测器。

“这种方法的优点在于它可以让我们识别自然界中已存在的生物传感器,我们无法自行设计,因为细菌基因组的功能和调节仍然未知,”第一作者亚历山大说。 Naydich最近完成了他的博士学位。在银实验室。“我们真正利用微生物组的令人难以置信的遗传多样性,快速有效地利用潜在的解决方案。”

该系统的其他特征包括记录在肠道中长期或短暂发生的信号的能力,以及设计成触发元件的合成核糖体结合位点(RBS)序列形式的可调节灵敏度,其可以控制其中的速率。启动器可以响应信号诱导“开”存储状态。这些功能允许细菌生物传感器的微调,以在长时间内检测肠道内的特定条件。

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