观点 | Nature：工程细菌和改造微生物群落或可成为治疗疾病新疗法的基础
编译：小范儿，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
威廉·德·沃斯（Willemde Vos）是进行首例粪便微生物移植（FMT）随机临床试验的小组成员之一，十年前他们团队进行了一项临床实验--将健康捐赠者的粪便用于作艰难梭状芽胞杆菌引起的持续性复发性肠道感染患者的最后治疗手段。一年后，发现移植非常成功，该试验需要结束，因为继续向对照组的人进行常规抗生素治疗违背道德。荷兰瓦赫宁根大学和芬兰赫尔辛基大学的微生物学家德沃斯说：“该研究展示了FMT的作用以及为什么起作用。”接受移植后治愈了接受抗生素治疗的复发患者。艰难梭菌的故事是肠道微生物组如何影响生物学的众多例子之一。生活在肠道中的微生物群落与人的生理许多方面都有联系-从肥胖到免疫系统的功能乃至心理健康等方面。FMT治疗艰难梭菌的成功也表明，原则上，肠道的生态系统可以用来治疗疾病。现在，科学家们正试图改造肠道微生物群，使它们能够做到治疗疾病。
① 合成生物学家正在单个物种的水平上进行研究，设计肠道细菌不仅提供治疗有效载荷，而且还能监测和应对体内的情况。
② 同时，合成生态学家将肠道视为一个生态系统，并聚集微生物群落，这些微生物通过相互作用，产生有利于治疗的物质或行为。
这两种方法都处于起步阶段，要把它们运用到临床中还面临着挑战。然而，已经证明这些技术是强大的工具，允许科学家探索肠道生态系统中复杂微生物的相互作用。
论文ID
原名：Therapeutic microbes to tackle disease-Modified bacteria and carefully formulated microbial communities could form the basis of new living treatments
译名：工程细菌和精心设计的微生物群落或可成为治疗疾病新疗法的基础
期刊：Nature
IF：43.070
发表时间：2020.01.29
通讯作者：Claire Ainsworth
作者单位：英国曼彻斯特RTI健康解决方案公司
主要内容
设计单个微生物具有一系列令人印象深刻的潜在应用。肠道细菌经改造可以产生治疗分子，治疗代谢疾病，杀死病原体并触发对癌症的免疫反应。一种工程改造后的大肠杆菌菌株目前正在临床试验中，该菌株经改造可产生纠正罕见的代谢缺陷所需的蛋白质。2018年，新加坡的一个研究小组发现他们设计的肠道细菌可以黏附在结肠癌细胞上，并分泌一种酶，该酶将西兰花等蔬菜中天然存在的物质转化为抑制肿瘤生长的分子。当给患结肠癌的小鼠使用这种疗法时，肿瘤缩小，复发减少。细菌甚至被改造后可以感知疾病迹象并切产生治疗性分子对疾病迹象做出反应。例如，在2017年，研究人员采用了一种常被用作益生菌的肠道细菌，并使它能够检测病原细菌产生的通讯信号。作为回应，益生菌会产生一种抗菌分子。研究人员表明，这株菌有助于清除蠕虫和小鼠的感染。
诸如此类的研究显示了活菌疗法的潜力，但到目前为止，工程菌是相对简单的系统—它们可以以恒定的速率或对环境信号做出反应产生治疗分子。现在，研究人员正在寻求利用包含更复杂元素的DNA来扩大工程微生物的范围，这些元素的工作原理类似于电子电路。这是合成生物学的领域，这是一门旨在将工程原理（例如标准化，模块化组件）应用于生物系统的学科。
这些复杂的工程技术使细菌能够完成简单的计算任务，比如在一次性刺激通过很久之后仍能记住它。例如，由马萨诸塞州波士顿哈佛大学Wyss生物工程研究所的Pamela Silver领导的一个合成生物学家团队，计了一种细菌用于检测发炎的肠道细胞产生的化学物质。作为回应，细菌会分泌一种分子信号，即使肠道炎症消失也会继续分泌该信号。可以在粪便样本中检测到该信号，从而增加了将该细菌用作炎症性肠病的活诊断测试的可能性-这种炎症性肠病通常是暂时性的，因此在临床上很难检测到。这些细菌在小鼠的肠道内形成一个稳定的菌落，可持续六个月，并对实验诱导的肠道炎症做出反应。重要的是，能够记住其他类型环境信号的工程细菌可以让研究人员能够探索肠道不同区域的情况，而这是常规粪便样本难以做到的。Silver说：“我们真正想要的是像侦探一样的细菌，并告诉我们它们通过时正在发生什么。”
在实验室里建立起一个起作用的基因回路已经很难。要将这一点转化为混乱的、竞争激烈的肠道微生物群环境是一个更大的挑战。任何给细菌增加额外负担的修饰—比如额外的蛋白质生产—都会使细菌处于不利地位，导致其可能在竞争中落败，也可能为了生存而放弃其设计功能。部分由于这个原因，研究人员一直在努力获得许多工程菌，实现从试管到动物模型的飞跃。科学家们正在研究解决这个问题的方法；例如，Silver使用的遗传要素会给细胞带来最小的负担。
最后的障碍是对工程细菌有效和安全性的证明。更重要的是，与传统药物不同，工程细菌可以扩散到环境中，并与其他细菌共享它们的DNA。尽管人们认为它们在野外生存的机会很低，但无法预料的后果（更不用说获得公众认可和监管批准的必要性）导致研究人员探索了多种遏制工程菌的选择，包括杀灭细菌。如果细菌的设计出现故障，或者细菌离开了身体，这些细菌就会用毒素杀死自己。
当一些研究人员设计单个细菌时，其他研究人员却将注意力转向了微生物群。就像一个城市因许多人从事不同的工作而运转一样，肠道是各种各样执行不同功能的微生物之间相互作用的场所。有些相互作用是新陈代谢方面——例如，一个细菌可能产生另一个细菌消耗的东西。其他则是生态方面，例如一种细菌抑制另一种细菌的生长。通过共同努力，微生物群落会产生分子或行为，而这些分子或行为由单独的微生物不可能产生。
肠道微生物群的这些新特性对我们的生物学产生了深远的影响，比如产生维生素或调节免疫反应的分子。为了了解这些相互作用并设计出新的治疗方法，研究人员正在构建被称为合成生态系统的不同细菌组合。尽管有些科学家正在试验含有基因工程微生物的生态系统，但大多数情况下，这些生态系统都是由自然细菌菌株组成的。
从治疗的角度来看，合成生态系统有许多潜在的优势。FMT目前依靠捐助者提供的粪便。粪便样本包含高度复杂的微生物混合物，不同的供体有不同的微生物，必须对每个供体进行病原微生物筛选。如果能将FMTs分解成治疗人类所需的关键物种，那么就能在实验室中培育出这些精选微生物的无致病性混合物。合成菌群将提供具有已知成分的标准化治疗剂，并将减轻对寻找合适供体的依赖。
研究（包括一些针对人的研究）表明，这种方法可行，已证明从粪便样本中分离出的混合细菌可以治疗艰难梭菌。不仅可以解决感染，还可以解决炎症性肠病等疾病。2013年，由日本科学家领导的一个团队发现了一个人类肠道微生物群落，该群落可以促进调节T细胞(regulatory T cells)的活性，这种免疫细胞可以抑制炎症反应，从而改善小鼠的炎症性肠病，除了开发疗法外，去除传统的FMT还可以使科学家们弄清楚粪便移植中的哪些细菌正在发挥治疗作用-Silver和他的同事正在探索炎症性肠病和代谢综合征下的这种情况。
这种简化方法的一个缺点是，它将合成菌群的应用限制在已经存在的功能上。在某些情况下，您可能希望创建一个具有新功能的菌群，例如生产维生素或降解毒素。创建新功能需要从下至上进行设计-测试不同的菌群组合，包括通常在自然界中不共存的微生物，直到产生所需的结果。在实验室实验中通过反复试验来做到这一点费时费力，因此研究人员转向了计算机建模。
本文的目的是根据现有微生物之间预期的相互作用，预测微生物群落的新特性。以色列特拉维夫大学的埃尔哈南·博伦斯坦领导的一个研究小组建立了单个微生物内部代谢反应的计算机模型，然后模拟了这些反应在另一种微生物新陈代谢时的行为。通过模拟微生物对之间的相互作用，他们展示了新的代谢产物是如何产生的，如果微生物单独行动是看不到的。模型也可以模拟生态相互作用，例如一种微生物的丰度如何影响其他微生物的丰度。这可以帮助科学家设计出稳定的微生物群落，从而在一段时间内保持稳定。
计算机建模和实验室培养的微生物群落使研究人员能够更好地了解肠道内自然微生物群落如何相互作用，以及它们与人类宿主之间的相互作用。De Vos的团队培养了四种不同的细菌，它们生活在肠道粘膜层，一种叫嗜粘蛋白-艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）将粘液分解成其他细菌消耗的化合物。研究小组发现，其他细菌不仅摄入这些化合物，而且它们也把自己制造的分子反馈给宿主，以丁酸盐为例，它是肠道内壁细胞需要的一种脂肪酸。
研究人员还通过创建最小的微生物群落（构建的微生物群落包含创建稳定生态系统所需的最小物种数量），对微生物之间以及微生物与宿主之间的关系有了新的认识。2016年的一项研究表明，将最小的微生物群落与比较基因组学相结合，可以设计出具有所需性质的微生物群落。德国慕尼黑路德维希-马克西米利安斯大学的BärbelStecher和她的团队开发了Oligo-MM12最小微生物组-收集了12种肠道微生物，有助于在缺乏自身细菌的小鼠肠道上防止肠炎沙门氏菌定植。这12种细菌几乎不包括沙门氏菌，但也不完全包括传统的微生物群落。通过使用基因组学将其最小的微生物组与一个复杂的微生物组进行比较，研究人员筛选出其群落所缺少的生态系统功能，添加了三种可以填补空白的细菌物种，形成了一个不需要添加沙门氏菌与传统菌种有相同效果的群落。最终，研究人员希望，这样的研究将使他们能够设计出具有特定治疗特性的最小微生物群，例如产生丁酸或维生素。
也许微生物工程的最终应用将是合成生物学和合成生态学的结合。科学家们将创建包含基因工程微生物的菌群，这些微生物的集体行为将带来治疗效益。这种方法的优点可以让工程师在不同的细菌之间分配不同的代谢任务。这意味着制造药物或维生素的所有生理压力将不会仅仅放在一种细菌上。许多团队在该领域取得了进展，包括开发一种细菌可用于检测其他细菌的存在并响应其修饰其基因活性的系统。研究人员正在利用这种称为群体感应的特性来控制混合菌群的行为，例如，让相互竞争的细菌共存，形成稳定的种群。
改造肠道微生物群落的潜在回报巨大，但实现这一目标的挑战也是巨大的。迄今为止在所有要研究的人类微生物群系中，肠道微生物群是最大、最复杂的。关于菌群定殖、菌群基因和他们之间的相互作用还有很多地方需要了解。事实上，个体之间的差异巨大，以至于至今仍不清楚。
评论
生活在肠道中的微生物群落与我们生理的许多方面都有联系-从肥胖到免疫系统的功能乃至心理健康等方面。FMT是将肠道微生物应用到临床和治疗的一种有效手段，显示活菌疗法的潜力。将有用的细菌进一步进行改造可以达到更好的效果，而根据现有微生物之间预期的相互作用，构建合理的微生物群落将会有许多潜在的优势，但在实验室实验中通过反复试验验证不同微生物组合的方法费时费力，因此使用计算机建模和实验室培养的微生物群落将能够更好地了解肠道内自然微生物群落是如何相互作用的，以及它们与人类宿主之间的相互作用。即微生物工程的最终应用将是合成生物学和合成生态学的结合。创建包含基因工程微生物的群落，这些微生物的集体行为将带来治疗效益。
你可能还喜欢