熱線你和我! 腸道菌能用「化學語言」溝通!

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如同人類使用語言彼此溝通一樣,細菌之間藉由合成、釋放與偵測一些特殊化學分子,例如醯化高絲胺酸內酯(acyl-homoserine lactone, acyl-HSL),彼此傳遞感受到彼此的存在,並且偵測周遭細胞族群密度高低,稱為「群聚感應」(quorum sensing)。

近日,來自哈佛大學韋斯研究所(Wyss Institute at Harvard University)、哈佛醫學院(Harvard Medical School)和其附屬布萊根婦女醫院(Brigham and Women’s Hospital)的研究團隊利用基因工程技術產生群聚感應效應,將細菌重新編程,以執行特定的功能,進而建立一種遺傳訊息傳遞系統。更細部來看,環境變化促使小鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella Typhimurium bacteria)發出分子訊號,然後由小鼠腸道中的大腸桿菌(E. coli)接受並且記錄。該研究發表於《ACS Synthetic Biology》上。

該研究團隊建立「通訊者」(signaler)和「回報器」(responder)等二種新的遺傳迴路,經基因轉殖至大腸桿菌菌株的不同菌落中。前者包含單拷貝數的 luxI 基因,由無水四環素(anhydrotetracycline, ATC)啟動該迴路,並且產生 acyl-HSL。當回報器迴路結構化時,acyl-HSL 會與它結合時,會活化 cro 基因,再產生 Cro 蛋白質,接著 Cro 在該迴路內開啟「記憶元件」(memory element),進而表現二個額外的基因——LacZ 和 Cro 另外一個副本。其中,當 LacZ 表現時,會使塗在特殊的瓊脂上的細菌變成藍色,進而確認 acyl-HSL 已被接收;Cro 另外一個副本則形成一個正回饋循環,使記憶元件保持開啟,已確認能持續延長 LacZ 表現的時間。

他們也進一步證實,該系統能在小鼠的大腸桿菌和小鼠傷寒沙門氏菌的試管內研究運行。當 ATC 被添加到通訊者細菌時,回報器細菌變成藍色。為了確定該系統也能在活體內(in vivo)運作,他們讓小鼠施用通訊者和回報器大腸桿菌給小鼠施用,然後將 ATC 置入它們的飲用水中,給予它們飲用二天。之後,他們再分析小鼠糞便樣品時,超過一半的小鼠顯示 3OC6HSL 訊息傳遞的明顯跡象。

該團隊也不斷重複活體內實驗,結果顯示,所有小鼠都顯示訊息傳遞的跡象,證實工程化的迴路允許哺乳動物腸道的複雜環境中不同種類的細菌之間的通訊。他們也希望未來能設計出更多種類的細菌,以便它們進行交流,並且搜索和開發其他的訊息傳遞分子來繼續這一研究。

該研究團隊表示,他們的最終目標是在人類的腸道中創造一種合成的微生物體,其中含有完全或大部分工程化的細菌物種,讓每種細菌都具有其特殊功能,例如檢測和治療疾病,產生有益分子,改善消化等。簡言之,該研究的基因工程技術允許不同種類的細菌在活鼠腸道中相互交流,為合成微生物體(microbiome)奠定了基礎。

延伸閱讀:美國人腸道計畫 揭開上萬樣本腸道菌組成

參考資料:
1. ACS Synthetic Biology, 2018; DOI: 10.1021/acssynbio.8b00271
2. https://wyss.harvard.edu/a-telephone-for-your-microbiome/

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