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我们的肠道是无数细菌的家园，这些微生物帮助我们消化食物。但是微生物在体内究竟做了什么？它们产生了哪些酶？何时产生？细菌是如何代谢有利于人体健康的食物、从而帮助我们避免疾病的呢？
为了获得这些问题的答案，苏黎世联邦理工学院Randall Platt教授领导的研究团队对细菌进行了改造，使细菌变成了数据记录器，来获取相关基因活动的信息。目前，他们已经在小鼠身上测试了这些细菌。这项研究朝着在医学中应用细菌传感器的目标迈出重要一步，未来有望用于诊断营养不良，或了解哪些饮食对个体有益。研究结果发表在最新一期的《科学》杂志上。
研究人员利用一种天然存在于大量细菌物种中的免疫机制CRISPR-Cas开发“细菌数据记录器”。当细菌受到病毒的攻击，它们可以将病毒 DNA 或 RNA 的片段整合到自己的基因组中，称为 CRISPR 阵列。这让细菌能“记住”它们接触过的病毒，因此再次遭遇时可以更快地抵抗病毒的攻击。
为了将这种CRISPR-Cas机制用作数据记录器，研究人员关心的不是病毒入侵者的 DNA 片段，而是另一个问题：可以利用这种机制，使细菌结合自己的信使 RNA（mRNA）片段进入 CRISPR 阵列。mRNA分子指导细胞制造蛋白质。因此，mRNA片段可以揭示哪些基因被用于构建蛋白质以执行细胞功能。
▲“细菌数据记录器”可以在无创条件下报告与饮食请况、宿主、其他微生物以及病理环境的相互作用（图片来源：参考资料[2]）
科学家们将菌属Fusicatenibacter saccharivorans的 CRISPR 阵列引入肠道细菌大肠杆菌菌株中。接下来，研究团队将这些改良的肠道细菌作用于实验室的小鼠。他们从动物身上收集粪便样本并分离出细菌 DNA，然后使用高通量 DNA 测序对其进行分析。通过随后的生物信息学评估，他们能够处理大量数据并重建 mRNA 片段的遗传信息。这使得科学家能够通过非侵入新手段确定肠道细菌在体内多久产生一个特定的 mRNA 分子，从而确定哪些基因是活跃的。
这种新方法让我们可以直接从肠道获取信息，而不必干扰肠道功能。相比于在检查时肠道需要排空，并且总是会干扰肠道功能的内窥镜检查，新方法具有明显优势。
接下来，研究人员希望进一步开发该方法，希望有一天可用于研究人类患者，了解饮食如何影响肠道生态系统，以及如何影响身体健康。未来，他们希望用这种方法来确定儿童或成伦的饮食状况。有了这些信息，医生将能够诊断营养不良或决定患者是否需要营养补充剂。此外，研究人员还能利用细菌传感器识别肠道中的炎症反应。
图片来源：123RF
这套细菌数据记录器还能帮助研究者区分不同细菌。未来，科学家将能够比较不同细菌，如正常细菌与突变细菌的 mRNA 谱。由于细菌数据记录器会通过肠道，谱图信息能够告诉我们当细菌仍然活在在肠道内时发生了什么。
另一种可能的研究方向是进一步开发这个系统，以区分小肠和大肠中细菌的 RNA 谱。此外，数据记录器功能可以整合到其他类型的细菌中。这将为环境监测应用打开大门，例如，对农田土壤细菌的分析将确定是否使用了除草剂。
由于细菌已经过基因改造，在细菌传感器可以在实验室外、包括在病人身上使用之前，科学家们仍然必须澄清各种安全和法律问题。原则上，只要满足某些条件，就可以使用基因工程改造过的活微生物以作为医学中的诊断或治疗剂。例如，可以修改细菌传感器，使它们只能在患者的肠道内存活。下一步，研究人员还需整合合适的安全机制，从而最终使该方法造福患者。
参考资料：
[1] Bacteria with recording function capture gut health status. Retrieved May 12, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/952393
[2] Schmidt F et al., (2022) Noninvasive assessment of gut function using transcriptional recording sentinel cells. Science DOI: 10.1126/science.abm6038
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