如同人类使用语言彼此沟通一样，细菌之间借由合成、释放与侦测一些特殊化学分子，例如酰化高丝胺酸内酯（acyl-homoserine lactone, acyl-HSL），彼此传递感受到彼此的存在，并且侦测周遭细胞族群密度高低，称为“群聚感应”（quorum sensing）。
近日，来自哈佛大学韦斯研究所（Wyss Institute at Harvard University）、哈佛医学院（Harvard Medical School）和其附属布莱根妇女医院（Brigham and Women’s Hospital）的研究团队利用基因工程技术产生群聚感应效应，将细菌重新编程，以执行特定的功能，进而建立一种遗传讯息传递系统。更细部来看，环境变化促使小鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhimurium bacteria）发出分子讯号，然后由小鼠肠道中的大肠杆菌（E. coli）接受并且记录。该研究发表于《ACS Synthetic Biology》上。
该研究团队建立“通讯者”（signaler）和“回报器”（responder）等二种新的遗传回路，经基因转殖至大肠杆菌菌株的不同菌落中。前者包含单拷贝数的 luxI 基因，由无水四环素（anhydrotetracycline, ATC）启动该回路，并且产生 acyl-HSL。当回报器回路结构化时，acyl-HSL 会与它结合时，会活化 cro 基因，再产生 Cro 蛋白质，接着 Cro 在该回路内开启“记忆元件”（memory element），进而表现二个额外的基因——LacZ 和 Cro 另外一个副本。其中，当 LacZ 表现时，会使涂在特殊的琼脂上的细菌变成蓝色，进而确认 acyl-HSL 已被接收；Cro 另外一个副本则形成一个正回馈循环，使记忆元件保持开启，已确认能持续延长 LacZ 表现的时间。
他们也进一步证实，该系统能在小鼠的大肠杆菌和小鼠伤寒沙门氏菌的试管内研究运行。当 ATC 被添加到通讯者细菌时，回报器细菌变成蓝色。为了确定该系统也能在活体内（in vivo）运作，他们让小鼠施用通讯者和回报器大肠杆菌给小鼠施用，然后将 ATC 置入它们的饮用水中，给予它们饮用二天。之后，他们再分析小鼠粪便样品时，超过一半的小鼠显示 3OC6HSL 讯息传递的明显迹象。
该团队也不断重复活体内实验，结果显示，所有小鼠都显示讯息传递的迹象，证实工程化的回路允许哺乳动物肠道的复杂环境中不同种类的细菌之间的通讯。他们也希望未来能设计出更多种类的细菌，以便它们进行交流，并且搜索和开发其他的讯息传递分子来继续这一研究。
该研究团队表示，他们的最终目标是在人类的肠道中创造一种合成的微生物体，其中含有完全或大部分工程化的细菌物种，让每种细菌都具有其特殊功能，例如检测和治疗疾病，产生有益分子，改善消化等。简言之，该研究的基因工程技术允许不同种类的细菌在活鼠肠道中相互交流，为合成微生物体（microbiome）奠定了基础。
延伸阅读：美国人肠道计画 揭开上万样本肠道菌组成参考资料：
1. ACS Synthetic Biology, 2018; DOI: 10.1021/acssynbio.8b00271
2. https://wyss.harvard.edu/a-telephone-for-your-microbiome/
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