杀死工程微生物的开关变得流氓

合成生物学家将微生物的基因组与合成基因电路相结合，以分解污染性塑料，非侵入性地诊断和治疗人体肠道感染，并在长途太空飞行中产生化学物质和营养。虽然在实验室中显示出巨大的希望，但这些技术需要控制和安全措施，以确保工程微生物在许多细胞分裂中保持其功能基因回路完整，并且它们被包含在它们所针对的特定环境中。

过去由哈佛大学生物启发工程学院Wyss研究所领导的核心学院成员Pamela Silver和James Collins已经在细菌中制造了“杀伤开关”，导致他们在实验室条件下不再需要时自杀。“我们需要进一步开展我们以前的工作，开发长期稳定的杀伤开关，并且在实际应用中也很有用，”Silver说，他也是Elliot T.和Onie H. Adams生物化学教授和哈佛医学院的系统生物学(HMS)。她的研究小组现在在Molecular Cell上报道两种新型杀伤开关可以解决这些挑战。新的杀伤开关是自给自足的，并且在进化的细菌群体中高度稳定，并且它们持续许多代。它们可以确保只有具有完整合成基因回路的细菌存活，或将细菌限制在37°C(体温)的目标环境中，同时诱导它们在较低温度下死亡，如细菌从小鼠肠道排出时所证明的。

对于第一种类型的杀戮开关，“Essentializer”，Silver的团队利用他们以前设计的“记忆元素”，允许大肠杆菌细菌记住在他们的环境中遇到特定的刺激。记忆元素来自一种名为噬菌体λ的细菌感染病毒，要么保持沉默，要么通过永久性地打开科学家可以追踪的可见报告转基因来报告信号的发生。信号可以是任何分子，例如肠道中的炎性细胞因子或环境中的毒素。

在他们最近的研究中，该团队设计了一种方法，确保记忆元素在超过一百代的细菌群体进化过程中不会从基因组中丢失。在此期间，个体细菌的基因组获得随机突变，这些突变也可能发生在记忆元件中，在它们的尾迹中摧毁它。研究人员将Essentializer作为细菌基因组中另一个位置的独立元素进行了介绍。只要记忆元件保持完整，控制其功能的两种噬菌体因子中的任何一种也抑制由Essentializer编码的毒素基因的表达。然而，毒素基因仍然有些“渗漏”，仍然产生残留量的可以杀死细胞的毒素。为了保持这些残留的毒素水平，

“通过将记忆元素的功能与Essentializer的功能联系起来，我们基本上将大肠杆菌的存活与存储元件的存在联系起来。从细菌基因组中去除记忆元素，这也消除了两种毒素抑制噬菌体因子，立即触发杀伤开关产生大量毒素，压倒抗毒素并消除人群中受影响的细菌，“第一作者，与Silver合作的研究生Finn Stirling说。“为了创建这种复杂的制衡系统，我们还确保杀伤开关本身保持完整，这是未来应用的重要先决条件;我们证实它们在大约140个细胞分裂后仍然可以正常运行。”

团队称之为“Cryodeath”的第二种杀伤开关能够使用相同的毒素/抗毒素组合将细菌限制在特定的温度范围，但以不同的方式调节它。同样，产生了低水平的抗毒素，毒素基因与赋予冷敏感性的调节序列相关。将细菌从它们应该茁壮成长的37°C转移到22°C，有效诱导毒素表达并杀死细菌。在开创性的概念验证实验中，该团队证明了Cryodeath在体内的有用性。将含有杀灭开关的大肠杆菌菌株引入小鼠后，只有100,000个细菌中的1个在粪便样品中是可行的。“这一进步使我们更加接近合成工程微生物在人体或环境中的实际应用。我们现在正在研究可以响应不同环境刺激的杀伤开关组合，以提供更严格的控制，”Silver说。

“这项研究表明，我们的团队利用合成生物学不仅可以重新编程微生物来创建可以为医学和环境治疗提供有用功能的活细胞设备，而且可以以对所有人都安全的方式进行，”Wyss Institute说。创始董事Donald Ingber，医学博士，博士，同时也是HMS血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及哈佛大学生物工程教授John A. Paulson工程学院和应用科学(SEAS)。