操纵细菌？生物工程师重新设计了细菌互相交流的方式

加州大学圣地亚哥分校的生物工程师们重新设计了无害大肠杆菌相互“交谈”的方式。这种新的基因回路可能会成为合成生物学家的一个有用的新工具。为了更好地控制设计细菌去完成各种各样的任务(包括药物运输、生产有用的生物化合物和环境传感)，合成生物领域的科学家都在寻找可以更好地控制设计细菌的的方法。

那么加州大学圣地亚哥分校控制大肠杆菌的新策略是什么呢?

经过设计之后，除非有一种特定的外部分子存在，否则一个种群中的细菌细胞就无法通过化学信号进行相互交流。

这项研究发表在2020年3月4日的《自然通讯》杂志上。

加州大学圣地亚哥分校生物工程博士生、这篇论文的第一作者Arianna Miano说:“我们希望这个系统能够提高合成基因回路的控制和安全性，从而促进它们向现实生活应用的过渡。”

这项研究来自加州大学圣地亚哥分校的实验室，由杰夫·哈兹(Jeff Hasty)领导，他是雅各布斯工程学院的生物工程学教授，同时也是生物科学部的生物学教授。

传统上，合成生物学家会使用天然细菌通讯系统，也就是所谓的群体感应，来控制他们用于执行目标药物输送等任务的细菌群落。

细菌群体感应是建立在细菌细胞间产生、扩散和接收小信号分子的基础上的，大多数这些系统依赖于每个细胞的内部资源来产生信号分子。

群体感应系统面临的挑战之一是难以从外部进行调节。为了解决这个问题，加州大学圣地亚哥分校的研究人员创建了一个“可诱导的群体感应系统”。它的设计就是为了让合成生物学家能够更好地控制细菌的通讯系统，从而更好地控制这些细菌群落正在执行的任务。

2008年，科学家在光合细菌红单胞菌(photosynthetic bacterium Rhodopseudomonas palustris)中发现了一种遗传回路，并在学术文献中首次对这种回路进行了描述。加州大学圣地亚哥分校的研究人员受到这种遗传回路的启发，创建了一个群体感应系统，该系统只在细菌获得一种名为对香豆酸(p-coumaric acid)的植物衍生化合物时才会发挥作用。而这种化合物存在于大多数水果和蔬菜中。

Miano说:“我们在培养基中提供的对香豆酸分量不同，细菌的协调方式也不同。如果我们不给它们对香豆酸，这些细菌就不能彼此交流，但当我们给它们提供中等浓度的对香豆酸时，它们就能发出信号，并分享关于它们菌落大小的信息。”

Miano说:“如果我们给它们太多对香豆酸，细菌就会过度产生信号分子，它们就会受到欺骗，表现得好像它们一直都是一个庞大菌落的一部分。”

加州大学圣地亚哥分校的生物工程师展示了他们的诱导群体感应回路，通过与裂解基因共同表达，这个感应回路可以在时间和空间上控制细菌细胞的协调。

通过裂解基因进行演示这个选择建立在加州大学圣地亚哥分校Hasty lab之前的项目基础上，包括研究如何利用细菌裂解在肿瘤周围输送抗癌药物等项目。

在这项新研究中，加州大学圣地亚哥分校的研究人员演示了与目前可用的天然群体感应系统相比，可诱导的群体感应可以怎样大大扩展科学家对这个货物输送平台的控制。

展示中，研究人员还特别使用了低浓度和中等浓度的对香豆酸，使具有新型可诱导群体感应回路和裂解基因的细菌种群在不输送和稳态震荡输送之间来回切换。

而利用裂解基因和传统的群体感应系统时，只有当细菌达到足够高的浓度，货物才会被输送。

Miano说：“我们只是触及了这个通信系统潜力的冰山一角。在未来的应用中，我们还会将它与不同基因的表达结合起来，对此我们感到非常兴奋。”

研究人员还证明，将细菌置于高浓度的对香豆酸时会消灭所有的细胞，因为这会迫使它们不断地产生裂解蛋白，且与菌落的大小无关。

原文：https://phys.org/news/2020-03-synthetic-biologists-redesign-bacteria.html

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