基于最小逻辑门的工程化大肠杆菌Nissle 1917感知与治疗双菌肠道感染的研究

这篇研究通过合成生物学手段，在益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）中构建了响应铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和肠炎耶尔森菌（Y. enterocolitica）群体感应分子（C12-AHL和C6-AHL）的最小"AND"逻辑门系统。该系统通过正交基因电路实现双病原体特异性检测与杀伤，并在小鼠肠道感染模型中验证了其预防和治疗效果，为多重细菌感染提供了新型治疗策略。

　　

摘要

合成生物学的快速发展使得工程化益生菌成为应对感染性疾病的新兴解决方案。针对日益常见的多重细菌感染问题，本研究在益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）中设计了最小化的逻辑门系统，使其能够特异性感知并杀灭铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和肠炎耶尔森菌（Y. enterocolitica）。通过构建两个正交的基因电路分别响应两种病原体的群体感应分子3OxoC₁₂-AHL和C₆-AHL，成功实现了双信号输入的"AND"逻辑门功能。

工程化EcN的感知-杀伤系统

研究团队首先构建了LasR-BFP和EsaR-mCherry两个独立的感知系统，分别特异性响应P. aeruginosa的C₁₂和Y. enterocolitica的C₆信号分子。荧光强度检测显示，两个系统在5000 nM AHL浓度时达到最大响应，且相互间无交叉反应。随后将报告基因替换为抗菌肽微霉素S（McsS）和裂解蛋白E7，构建了EcN-KillP和EcN-KillY杀伤系统。体外实验证实，这些工程菌能有效抑制相应病原体的生长。

最小AND逻辑门的设计

创新性地将LasR诱导型启动子P_las与EsaR阻遏系统结合，构建了合成启动子P_l&e。该设计仅在C₁₂和C₆同时存在时激活下游基因表达，实现了真正的逻辑"AND"功能。通过引入cAMP受体蛋白（CRP）结合位点进行优化，最终获得的LEc-GFP-83.5系统动态范围提高了10倍，且保持了低背景泄漏。正交剂量反应曲线证实了系统对双信号分子的特异性响应。

定向趋化与协同杀伤

研究还构建了基于CheZ-YbaQ的趋化系统，使工程菌能沿AHL浓度梯度定向运动。将趋化模块与杀伤模块整合后，EcN-Motility-Kill展现出在双信号梯度中的定向移动能力，并能在此过程中有效抑制P. aeruginosa和Y. enterocolitica的生长。这种"主动寻找-精准杀伤"的策略显著提高了治疗效果。

动物模型验证

在双菌感染的小鼠模型中，工程化EcN展现出显著的预防和治疗效果。与野生型EcN相比，EcN-KillD处理组的小鼠体重恢复更快，结肠长度缩短程度减轻，炎症因子IL-6和IL-1β水平显著降低。肠道菌群分析显示，工程菌能特异性减少病原体比例（P. aeruginosa从22%降至12%，Y. enterocolitica从21%降至10%），同时维持肠道菌群整体平衡。

讨论与展望

该研究首次在益生菌中实现了基于最小逻辑门的双病原体感知与治疗系统，其模块化设计为应对更复杂的多重感染提供了框架。未来可通过扩展信号感知范围、优化杀伤元件等方式进一步提升系统性能。这种合成生物学驱动的活体治疗策略，为抗感染治疗提供了新的思路和方法。