Church实验室发Science子刊：不用抗生素，建议把细菌“锁”起来

Aditya Kunjapur是生物安全领域的新兴领导者，他擅长教细胞创造和利用自然界中没有的化学成分。他们的新论文描述了一种生物遏制策略稳定性方面的进展，该策略利用微生物对合成营养素的依赖来保持其控制。

　　

 

   

化学和生物分子工程助理教授Aditya Kunjapur(右)和博士生Michaela Jones在实验室比较样本。

科学家和工程师一直在寻找使我们的世界更美好的方法。

合成生物学是一个新兴领域，有望提高我们制造化学品的能力，开发生物制药和疫苗等治疗性药物，以及提高农业生产等。它依赖于提取天然的或经过改造的DNA片段，并在微生物、细菌或其他有机体等生物系统中以新的方式组合它们。

就职于特拉华大学的化学和生物分子工程助理教授Aditya Kunjapur说，随着这些复杂的微生物技术的进步，科学家需要探索方法来防止这些微生物最终出现在错误的环境中。

例如，一种善于制造大量化学物质的细菌在生物反应器中很好，但它不一定是我们希望在环境或食物中出现的东西。类似地，一种专门用来帮助植物提高产量的细菌对农业很有用，但我们可能不希望这种细菌最终进入我们的身体。

将特性直接植入微生物，创造出内置的保护措施来控制它的生长位置，这被称为生物遏制，这是一个很有前途的解决方案。

“有能力控制微生物生长的地方将有助于创造技术，以更安全地治疗疾病和清洁环境，”Kunjapur说。他是生物安全领域的一位新兴领导者，擅长教细胞创造和利用自然界中没有的化学成分。

现在，Kunjapur他们在7月2日星期五发表了一篇《Science Advances》论文，该论文描述了一种生物遏制策略稳定性方面的进展，该策略首次于2015年报道，利用微生物对合成营养素的依赖来保持其控制。这项工作是与哈佛医学院(HMS)合作完成的，包括目前在HMS、UD、约翰霍普金斯大学和工业界的共同作者。

锁和钥匙

在论文中，研究小组研究了一种依赖于合成营养物质生存的大肠杆菌(E. coli)菌株，这种方法被称为合成营养缺陷。他们发现，该菌株保持稳定，并在生长100天后保持了这种依赖性。

Kunjapur说:“你可以利用细菌生长所需的酶，让它们依赖于人造的基础材料，这是在自然界中永远看不到的。”

这项工作建立在哈佛医学院George Church（本文通讯作者）实验室之前的研究基础上，大部分的研究都是在那里进行的，Kunjapur也在那里完成了博士后工作。在这项研究中，研究小组表明，如果有一种酶需要这种合成成分，细菌会很快找到出路。但如果有三种酶需要这种合成物质，细菌就无法在24小时内“打开细胞门”迅速逃离。

Kunjapur说:“让微生物同时以三种不同的方式使其基因组发生突变太过分了，而且它不会找到解决办法。所以，虽然同一把‘钥匙’可能打开所有的门，但微生物不可能同时在三扇门上打开它们，所以它仍然被控制着。”

问题是，如果给予它们更多的成长时间，它们是否能找到出路。

在这项新的研究中，随着研究团队扩大研究范围，将大肠杆菌菌株(昵称为DEP)连续培养100天，他们还施加了额外的压力，随着时间的推移，他们减少了细菌接收到的合成营养物质的数量。

在三个平行实验中，研究人员发现DEP大肠杆菌无法找到“逃逸”或生长在细胞外的方法。然而，它确实能适应较低的浓度——低于它生存所需的合成营养素的10倍。此外，研究小组发现宿主细胞表面的蛋白质发生了变化，这是以前从未见过的。

Kunjapur说:“我们认为，当我们减少营养物质的数量时，DEP大肠杆菌修改了细胞表面的蛋白质，以调节允许在细胞内的合成营养物质的数量，以便在细胞内保留更多的营养物质并保持生长。我们很惊讶，因为一开始我们没想到它们会适应，后来我们也没想到它们会以这种方式适应。”

为了验证他们的结果，研究小组回到原来的大肠杆菌菌株中，将这些相同的基因特征植入该菌株，发现它从一开始就能在较低的合成营养浓度下生长。Kunjapur说，这些信息在未来的实验中被证明是有用的。

在后续的实验中，Kunjapur的同事，Church实验室的博士后Eriona Hysolli，将这种细菌直接添加到哺乳动物细胞中。结果很有趣。最初几天，细菌大量繁殖，但一周后，细菌就消失了，不需要抗生素。

“我们的数据显示，在哺乳动物细胞模型中首次使用了可控制生长的细菌菌株。我们对肠道微生物在人类健康方面的应用前景感到兴奋，”该论文的合著者Hysolli说。

在这项工作的基础上，Kunjapur实验室的博士生、论文的合著者Michaela Jones进行了额外的实验，表明当合成营养素被拿走时，细菌停止生长，然后在补充营养素时恢复生长。Kunjapur说，这些发现为研究人员提供了新的工具，通过调节细菌生存所需的营养物质来控制细菌如何以及何时生长。

“现在，如果你需要细菌以一定的速度或时间生长，我们有一种合成积木作为控制杠杆或把手，”他说。

在未来的工作中，Kunjapur计划在更广泛的条件下研究含生物成分的DEP大肠杆菌菌株，以及其他微生物设计，以确定这种方法是否能在环境中维持下去。此外，他还致力于活菌株的生物医学应用，可用于治疗、益生菌和疫苗。

原文检索：Synthetic auxotrophy remains stable after continuous evolution and in coculture with mammalian cells

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