合成生物学用于限制细菌生长和协调药物释放

加利福尼亚大学圣地亚哥分校和麻省理工学院(MIT)的研究人员提出了在治疗学中使用合成生物学的策略。该方法使得能够在小鼠的疾病部位连续生产和释放药物，同时限制用于生产药物的细菌群体随时间的大小。该研究结果发表在7月20日的自然在线期刊上。

由生物工程和生物学教授杰夫·哈斯特(Jeff Hasty)领导的加州大学圣地亚哥分校的研究人员设计了一种临床相关细菌来生产抗癌药物，然后在肿瘤部位自我毁灭并释放药物。然后，研究小组将细菌治疗转移到麻省理工学院的合作者，进行结肠直肠转移动物模型的检测。该疗法的设计代表了来自加州大学圣地亚哥分校的四篇以前的自然论文的高潮，这些论文描述了工程化遗传时钟和同步的系统发展。多年来，研究人员采用了一种跨越合成生物学范围的广泛方法。

这项新研究提供了一种治疗方法，可最大限度地减少对周围细胞的伤

“在合成生物学中，疗法的一个目标是针对疾病部位并将损害降至最低，”加州大学圣地亚哥分校生物工程和生物学教授杰夫·哈斯特说。他想知道是否可以设计遗传“杀死”回路以控制体内细菌群，从而最大限度地减少其生长。“我们还希望为疾病部位提供重要的治疗有效载荷。”

为了实现这一目标，当细菌菌落在肿瘤环境中自我破坏时，他和他的团队将细菌同步以释放已知癌症药物的爆发。使用细菌在体内递送抗癌药物是诱人的，因为常规化疗并不总是到达肿瘤的内部区域，但细菌可以在那里定殖。重要的是，研究人员观察到化学疗法与细菌回路产生的基因产物的结合可以持续减少肿瘤的大小。

“合成生物学理论如何能够带来临床上有意义的进步，这是杰夫·赫斯特和团队的新作品，”麻省理工学院教授吉姆柯林斯说，他是合成生物学领域的创始人。“十多年前，在该领域的早期阶段，杰夫开发了一个理论框架，用于在细胞群体中同步细胞过程。现在，他的团队已经通过实验证明了如何利用这些效应创造一种新颖的，临床上可行的治疗方法。 “

限制细菌数量

为了观察细菌种群动态，研究人员设计了定制的微流体装置，以便在动物疾病模型研究之前进行仔细测试。与工程设计一致，他们观察到细菌群体的循环，成功地限制了整体生长，同时实现了编码货物的生产和释放。当细菌配备了驱动治疗剂产生的基因时，细菌菌落的同步裂解显示出杀死人癌细胞。它是合成生物学中第一个实现这些目标的工程基因回路。

“在本文中，我们描述了一个电路，其中包含一个基因，该基因可以编码可以在细胞之间扩散的小分子并可以打开基因，”该论文的主要作者和加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院生物工程博士Omar Din说。 .D。Hasty的研究小组的学生。“一旦种群增长到临界大小 - 几千个细胞 - 细胞中存在足够高浓度的分子，导致启动子后面的基因大量转录。”

已知分子AHL协调细菌细胞集落的基因表达。一旦启动，由启动子驱动的基因也被激活，包括产生AHL的基因本身。由于这种正反馈回路，AHL累积的越多，产生的越多。因为AHL足够小以在细胞之间扩散并且打开相邻细胞中的启动子，所以由它激活的基因也将大量产生，导致称为群体感应的现象。细菌利用群体感应来相互沟通其群体的大小，并相应地调节基因表达。科学家们将这种天然的细菌能力作为一种工具广泛使用。

Din使用群体感应作为工程工具来同步细胞，然后添加杀死基因，当细菌菌落生长到阈值时，导致细胞破裂(裂解)。在大规模自我毁灭事件之后，仍然有一些细胞继续重建群体，并且由此产生的种群动态是周期性的。

“裂解回路最初被设想用作水生生物传感器，但后来很明显，当细菌在体内溶解时，令人兴奋的应用可能是药物的协调释放，”Hasty说。

观看视频，显示细菌药物输送的程序化周期。

寻找合适的药物组合

接下来，研究人员需要找到合适的药物来传递细菌。他们测试了三种不同的治疗蛋白质，这些蛋测试表明蛋白质在组合时最有效。他们将负责这些蛋白质的基因与裂解基因一起放入回路中。然后他们用HeLa细胞进行了实验，结果表明产生了足够的蛋白质来杀死癌细胞。

小鼠治疗的测试由加州大学圣地亚哥生物工程学校校友Tal Danino进行，他是麻省理工学院Sangeeta Bhatia研究小组的博士后研究员。Danino现在是哥伦比亚大学的教授。

首先将细菌注射到具有移植的皮下肿瘤的小鼠中。该小鼠模型用于在体内观察细菌群体并观察它们的动态。结果是肿瘤尺寸减小。然后，Danino使用了一种更先进的肝转移小鼠模型，将细菌喂给小鼠。在用这种模型测试了工程菌和化学疗法的组合后，研究人员发现联合疗法可以延长小鼠的生存期，而不是单独使用任何一种疗法。研究人员指出，这种新方法还没有治愈任何老鼠。他们确实发现治疗导致预期寿命增加约50%，但很难预测这将如何转化为人类。合在一起，

制定战略

新的Nature论文显示了使用群体感应来限制细菌种群的增长和释放药物。在之前的Nature论文中，Hasty实验室已经展示了工程细胞振荡如何在细菌菌落内协调，甚至在数千个相互作用的菌落之间。

“本文描述了采用合成生物学武器化细菌的高度创新战略，”约翰霍普金斯大学路德维希中心主任，癌症基因组学领域的先驱Bert Vogelstein说。“这些作者表明，这些细菌可以用来减缓小鼠体内肿瘤的生长。尽管需要做更多的工作才能使这种疗法适用于人类，但这只是我们迫切需要的那种新的，前瞻性的方法。如果我们要更有效地对抗癌症。“

接下来可能的步骤包括研究肿瘤中细菌的天然存在，然后将这些细菌用于体内并使用多种细菌菌株形成治疗界。

“此外，我们目前正在研究维持细菌内部电路的方法，”Din说。“由于回路产生的蛋白质给细菌带来了负担，细菌很容易突变这些基因。此外，还有一种选择压力可以去除含有该回路基因的质粒。因此，我们的一个未来的研究目标是确定稳定细菌中的电路成分并降低其对突变的易感性的策略。“