合成生物學(xué)重組噬菌體，改變噬菌體的裂解宿主菌
中國(guó)微生物菌種查詢(xún)網(wǎng) / 2019-01-24 09:05:10
細(xì)菌菌群與人類(lèi)的健康和疾病密切相關(guān)，但現(xiàn)有的技術(shù)難以對(duì)微生物群落進(jìn)行定向改造。例如，廣譜抗生素的使用會(huì)影響所有菌群，而無(wú)法精確地編輯細(xì)菌群落。噬菌體對(duì)目的菌具有高度特異性，但是利用分離的天然噬菌體來(lái)組建“噬菌體雞尾酒”是耗時(shí)、耗力和耗成本的過(guò)程。研究人員希望通過(guò)對(duì)噬菌體基因組的人工改變，使改造后的噬菌體能夠靶向裂解任何類(lèi)型的病原菌。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，麻省理工（MIT）的研究人員通過(guò)合成生物學(xué)的策略，以釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）為載體，對(duì)噬菌體進(jìn)行遺傳改造，可以人工改變噬菌體的靶向細(xì)菌。這種噬菌體具有相對(duì)模塊化的設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^(guò)增加或刪除某些基因，從而獲得具有特定功能的功能性噬菌體。這項(xiàng)研究發(fā)表在2015年9月23日版的細(xì)胞系統(tǒng)（Cell Systems）雜志。
這些噬菌體還可以被用來(lái)“編輯”微生物群落，如改變腸道內(nèi)的細(xì)菌種群。人體消化道內(nèi)有上萬(wàn)億的細(xì)菌細(xì)胞，其中絕大多數(shù)細(xì)菌都是有益的，但也有一些細(xì)菌會(huì)引起疾病。例如，有報(bào)道認(rèn)為克羅恩病（Crohn's disease）可能與某些大腸桿菌有關(guān)系。
如果能夠定向去除菌群中的某一類(lèi)細(xì)菌，就能夠更好的研究這類(lèi)細(xì)菌在微生物群體中的功能。利用噬菌體就可以達(dá)到這種目的，噬菌體可以特異性的殺滅某一類(lèi)細(xì)菌，而不影響其它細(xì)菌。
目前，美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)了少數(shù)幾種噬菌體可用于食品行業(yè)，但還噬菌體還沒(méi)被批準(zhǔn)用于醫(yī)療。由于每種噬菌體都具有不同的基因組結(jié)構(gòu)和生命周期，這對(duì)監(jiān)管部門(mén)和臨床應(yīng)用造成了困難。
麻省理工的研究團(tuán)隊(duì)為噬菌體建立了標(biāo)準(zhǔn)化的遺傳程序，通過(guò)對(duì)噬菌體內(nèi)1-3個(gè)基因的改變，從而定制出能夠靶向殺滅不同細(xì)菌的噬菌體。
許多噬菌體都由頭部和尾部結(jié)構(gòu)組成，其中尾部結(jié)構(gòu)具有靶向作用。MIT的研究人員以能夠殺滅大腸桿菌的T7噬菌體開(kāi)始，改變噬菌體基因組中編碼尾絲的基因，從而使重組噬菌體能夠殺滅不同細(xì)菌。
為了對(duì)噬菌體基因組進(jìn)行改造，還需要建立一個(gè)新的基因改構(gòu)系統(tǒng)，因?yàn)槟壳坝糜诰庉嫴《净蚪M的技術(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此研究人員以酵母細(xì)胞為載體，將噬菌體基因組插入酵母細(xì)胞，從而在重組酵母中具有自身染色體外，增加了一個(gè)噬菌體的人工染色體。利用重組酵母，研究人員可以很容易的對(duì)噬菌體基因組進(jìn)行改造，這將大大減少實(shí)驗(yàn)室的工作量。
通過(guò)這種技術(shù)，使大腸桿菌噬菌體能夠裂解鼠疫耶爾森菌（Yersinia）和克雷伯氏菌（Klebsiella），以及一些大腸桿菌菌株。反過(guò)來(lái)，克雷伯氏菌噬菌體經(jīng)改造后也能裂解大腸桿菌。
這種重組噬菌體至少具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。一是相對(duì)于抗生素，重組噬菌體具有高度特異性，不會(huì)影響正常菌群；二是所有重組噬菌體都是基于相同的遺傳框架，有利于獲得監(jiān)管部門(mén)的批準(zhǔn)。預(yù)計(jì)該項(xiàng)研究成果將進(jìn)一步加速噬菌體生物學(xué)的研究，也有助于開(kāi)發(fā)新技術(shù)定向“編輯”細(xì)菌菌群。