用细菌探索细菌！Science：科学家开发用于报告肠道健康的“传感器细菌”

众所周知， 肠道微生物组 （肠道菌群）是人体中最大的细菌“蓄水池”。已有广泛的的研究证实其组成与肥胖、动脉粥样硬化、糖尿病和癌症等生理疾病，以及抑郁症等精神类疾病密切相关。因此，改变肠道菌群组成可以改善健康。然而，现有重塑肠道菌群的疗法，包括益生元、益生菌和粪菌移植（FMT）虽然在短期可以获得成功，但很难在长时间内维持健康的菌群组成。这主要是因为肠道中的细菌还会受到其他细菌、人体生理、饮食、药物等因素的影响，而肠道生态系统中的这些复杂的关系至今仍难以捉摸。了解细菌对这些变量的反应和适应性对于塑造更有效的微生物疗法至关重要。

近日，发表在 《Science》 上的一项新研究中，来自苏黎世联邦理工学院和瑞士伯尔尼大学的研究团队找到了解决上述问题的方法。他们将基因改造的细菌植入动物肠道，使其成为基因活动信息的数据记录器。该研究是将“传感器细菌”应用于医学的重要一步，为未来用于改善个体的个性化饮食干预策略指明了方向。

CRISPR-Cas 是原核生物基因组内的一段重复序列，它是细菌抵抗病毒等外源遗传物质入侵的获得性免疫系统。利用CRISPR-Cas机制，细菌可以在受到病毒攻击时，将病毒的DNA片段整合到自己的基因组中（ CRISPR阵列 ），从而 "记住"曾经遇到过的病毒，以便在未来能更快速地对付它们。

此前，该团队已经基于CRISPR-Cas机制开发了一种用于记录肠道细菌对肠道环境变化做出反应的方法，称为“ Record-seq ”。

在这项新研究中，研究人员进一步完善了Record-seq，并利用大肠杆菌前哨细胞转录记录，无创验证了不同饮食和疾病背景下的小鼠肠道菌群生理学。

首先，他们将名为Fusicatenibacter saccharivorans的细菌CRISPR阵列引入肠道细菌大肠杆菌（Escherichia coli）菌株。在Record-seq-工程大肠杆菌细胞内，转录物被逆转录为DNA，并作为间隔子储存在CRISPR阵列中。这样一来，细菌的基因表达历史就可以通过对宿主粪便样本的DNA测序来进行采样。

在实验中，研究人员给小鼠注射了工程大肠杆菌，并在随后收集了动物粪便样本并分离出细菌DNA。然后用高通量DNA测序对其进行分析。在随后的生物信息学评估中，他们可以通过大量的数据来重建mRNA片段的遗传信息。这使研究人员可以以非侵入性的方式确定肠道细菌在体内产生特定mRNA分子的频率，从而确定哪些基因是活跃的。

该研究共同通讯作者、伯尔尼大学医院胃肠病学教授兼主任Andrew Macpherson说：“这种新方法可以让我们在不干扰肠道功能的前提下，直接从肠道获取信息。它比内窥镜具有更大优势。因为内窥镜检查会让患者有不愉快的体验，而且还会干扰肠道功能。”

研究人员发现，细菌非常擅长记录环境条件并使其代谢适应饮食变化等。例如，当小鼠的饮食单一（缺乏多样化）时，多种代谢基因的表达会增加。他们假设这些基因允许细菌以宿主的粘膜糖为食，并预测当宿主的饮食受到限制时，缺少这些基因的细菌将处于竞争劣势。随后，研究人员通过实验验证了这一点。

此外，研究人员还能够识别肠道内的炎症反应。他们给有肠道炎症的小鼠以及健康小鼠注射了“传感器细菌”。通过这种方式，他们可以确定切换成炎症模式的肠道细菌特定mRNA谱。

总之，该团队利用这种特殊的记录工具研究了大肠杆菌适应不同宿主饮食、与其他细菌共生、细菌基因缺失和宿主炎症的机制。

研究人员表示，这些发现可以用来设计基于适合宿主饮食的细菌干预措施，或调整宿主饮食，以允许某些细菌茁壮成长。

该团队希望进一步扩展这种方法，以便有一天可以用于研究人类患者，观察饮食如何影响肠道生态系统，进而如何影响健康。 另一个研究方向是区分小肠和大肠中细菌的RNA谱。 此外，数据记录器的功能还可以整合到其他种类的细菌中，这将为环境监测应用打开大门，例如，对农作物的土壤细菌进行分析，以确定是否使用了除草剂。

目前，该团队已经为这种方法和基于特定营养分子的肠道健康特征性RNA谱提交了专利申请。

研究人员表示，由于细菌已经过基因改造，在这种传感器细菌能够在实验室外使用，或用于人类受试者之前，仍然需要澄清各种安全和法律问题。

Macpherson说：“原则上，只要满足某些条件，就有办法将活的基因工程细菌用作医学诊断或治疗剂。例如，可以修饰传感器细菌，使其需要特定的营养物质，因此它们只能在患者的肠道内存活。一旦这种特定细菌离开肠道，它们就会死亡。因此，整合合适的安全机制是下一步工作，以便为这种新方法在医学上应用铺平道路。”

论文链接：

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