用細菌探索細菌！Science：科學家開發用於報告腸道健康的“傳感器細菌”_風聞

　　眾所周知，腸道微生物組（腸道菌羣）是人體中最大的細菌“蓄水池”。已有廣泛的的研究證實其組成與肥胖、動脈粥樣硬化、糖尿病和癌症等生理疾病，以及抑鬱症等精神類疾病密切相關。因此，改變腸道菌羣組成可以改善健康。然而，現有重塑腸道菌羣的療法，包括益生元、益生菌和糞菌移植（FMT）雖然在短期可以獲得成功，但很難在長時間內維持健康的菌羣組成。這主要是因為腸道中的細菌還會受到其他細菌、人體生理、飲食、藥物等因素的影響，而腸道生態系統中的這些複雜的關係至今仍難以捉摸。瞭解細菌對這些變量的反應和適應性對於塑造更有效的微生物療法至關重要。

　　近日，發表在**《Science》上的一項新研究中，來自蘇黎世聯邦理工學院和瑞士伯爾尼大學的研究團隊找到了解決上述問題的方法。他們將基因改造的細菌植入動物腸道，使其成為基因活動信息的數據記錄器。**該研究是將“傳感器細菌”應用於醫學的重要一步，為未來用於改善個體的個性化飲食干預策略指明瞭方向。

　　CRISPR-Cas是原核生物基因組內的一段重複序列，它是細菌抵抗病毒等外源遺傳物質入侵的獲得性免疫系統。利用CRISPR-Cas機制，細菌可以在受到病毒攻擊時，將病毒的DNA片段整合到自己的基因組中（CRISPR陣列），從而 “記住"曾經遇到過的病毒，以便在未來能更快速地對付它們。

　　此前，該團隊已經基於CRISPR-Cas機制開發了一種用於記錄腸道細菌對腸道環境變化做出反應的方法，稱為“Record-seq**”**。

　　在這項新研究中，研究人員進一步完善了Record-seq，並利用大腸桿菌前哨細胞轉錄記錄，無創驗證了不同飲食和疾病背景下的小鼠腸道菌羣生理學。

　　首先，他們將名為Fusicatenibacter saccharivorans的細菌CRISPR陣列引入腸道細菌大腸桿菌（Escherichia coli）菌株。在Record-seq-工程大腸桿菌細胞內，轉錄物被逆轉錄為DNA，並作為間隔子儲存在CRISPR陣列中。這樣一來，細菌的基因表達歷史就可以通過對宿主糞便樣本的DNA測序來進行採樣。

　　在實驗中，研究人員給小鼠注射了工程大腸桿菌，並在隨後收集了動物糞便樣本並分離出細菌DNA。然後用高通量DNA測序對其進行分析。在隨後的生物信息學評估中，他們可以通過大量的數據來重建mRNA片段的遺傳信息。這使研究人員可以以非侵入性的方式確定腸道細菌在體內產生特定mRNA分子的頻率，從而確定哪些基因是活躍的。

　　該研究共同通訊作者、伯爾尼大學醫院胃腸病學教授兼主任Andrew Macpherson説：“這種新方法可以讓我們在不干擾腸道功能的前提下，直接從腸道獲取信息。它比內窺鏡具有更大優勢。因為內窺鏡檢查會讓患者有不愉快的體驗，而且還會干擾腸道功能。”

　　研究人員發現，細菌非常擅長記錄環境條件並使其代謝適應飲食變化等。例如，當小鼠的飲食單一（缺乏多樣化）時，多種代謝基因的表達會增加。他們假設這些基因允許細菌以宿主的粘膜糖為食，並預測當宿主的飲食受到限制時，缺少這些基因的細菌將處於競爭劣勢。隨後，研究人員通過實驗驗證了這一點。

　　此外，研究人員還能夠識別腸道內的炎症反應。他們給有腸道炎症的小鼠以及健康小鼠注射了“傳感器細菌”。通過這種方式，他們可以確定切換成炎症模式的腸道細菌特定mRNA譜。

　　總之，該團隊利用這種特殊的記錄工具研究了大腸桿菌適應不同宿主飲食、與其他細菌共生、細菌基因缺失和宿主炎症的機制。

　　研究人員表示，這些發現可以用來設計基於適合宿主飲食的細菌干預措施，或調整宿主飲食，以允許某些細菌茁壯成長。

　　該團隊希望進一步擴展這種方法，以便有一天可以用於研究人類患者，觀察飲食如何影響腸道生態系統，進而如何影響健康。另一個研究方向是區分小腸和大腸中細菌的RNA譜。此外，數據記錄器的功能還可以整合到其他種類的細菌中，這將為環境監測應用打開大門，例如，對農作物的土壤細菌進行分析，以確定是否使用了除草劑。

　　目前，該團隊已經為這種方法和基於特定營養分子的腸道健康特徵性RNA譜提交了專利申請。

　　研究人員表示，由於細菌已經過基因改造，在這種傳感器細菌能夠在實驗室外使用，或用於人類受試者之前，仍然需要澄清各種安全和法律問題。

　　Macpherson説：“原則上，只要滿足某些條件，就有辦法將活的基因工程細菌用作醫學診斷或治療劑。例如，可以修飾傳感器細菌，使其需要特定的營養物質，因此它們只能在患者的腸道內存活。一旦這種特定細菌離開腸道，它們就會死亡。因此，整合合適的安全機制是下一步工作，以便為這種新方法在醫學上應用鋪平道路。”

　　論文鏈接：

　　http://dx.doi.org/10.1126/science.abm6038