Cell | 无创监测肠道渗透压：工程化多形拟杆菌生物传感器实现疾病亚临床预警|信号|生物传感器|细胞|肠道渗透压|荧光|蛋白

撰文丨易

人体肠道是一个高度动态的微环境，其物理化学参数如酸碱度、氧气和渗透压的波动深刻影响着微生物菌群的组成与人类健康，并与炎症性肠病等多种肠道疾病密切相关。然而，当前临床缺乏能够连续、无创监测肠道内部环境变化的有效工具。传统方法依赖于侵入性的内窥镜检查或只能提供单点信息的粪便检测，难以捕捉亚临床的、瞬时的生理变化。近年来，利用天然定植于肠道的共生细菌作为活体生物传感器的底盘细胞，为实时监测肠道健康提供了革命性的思路。其中，多形拟杆菌因其在哺乳动物肠道中稳定定植的特性以及日益成熟的遗传操作工具，被视为一个极具潜力的平台。尽管已有研究利用其构建了基于生物发光的报告系统，但荧光报告系统能够实现单细胞分辨率检测和多路复用，优势显著。然而，一个关键瓶颈在于，天然的多形拟杆菌启动子无法驱动足够强的荧光蛋白表达。因此，开发一套适用于多形拟杆菌的、模块化的合成生物学工具包，特别是能够实现高强度、可调控荧光输出的基因线路，对于构建下一代高灵敏度、可实时读出的肠道生物传感器至关重要。

近日，加拿大不列颠哥伦比亚大学Carolina Tropini在Cell期刊发表题为A Bacteroides synthetic biology toolkit to build an in vivo malabsorption biosensor的研究论文，成功开发了一套用于肠道共生菌多形拟杆菌的合成生物学工具箱，包括可调控荧光启动子和模块化基因电路，并利用其构建了能无创、灵敏监测小鼠肠道渗透压变化的活体生物传感器，为实时诊断肠道吸收不良等疾病提供了创新工具。

研究团队采用了一套系统的合成生物学与微生物学方法，来构建并优化基于多形拟杆菌的渗透压生物传感器。首先，研究团队着手解决核心的基因表达控制问题。以先前鉴定出的一个强噬菌体启动子P BfP1E6 为基础，通过插入不同小分子诱导型阻遏蛋白的结合位点，构建了三个（TetR、LacI、PhlF调控的）可抑制启动子文库。通过高通量筛选，鉴定出在基础抑制强度、最大表达量和动态范围上表现最优的启动子变体，其中P TetR56 尤为突出，首次在拟杆菌中实现了高强度、可精准调控的荧光蛋白表达。

利用转录组学，系统鉴定出多形拟杆菌在多种渗透压应激下特异性上调的基因启动子，其中来自已知的渗透压应激系统 opuA 操纵子和一个功能未知的BT0779基因的启动子表现出对渗透压升高最强且最特异的响应，为构建传感器提供了关键的感受元件。为了将环境信号转化为荧光输出，将这些环境响应型启动子与一个精巧的模块化 “ 反相器 ” 报告电路相结合，成功构建了首批渗透压生物传感器原型。该电路通过 “ 刺激增强-阻遏蛋白表达-荧光输出抑制 ” 的逻辑，将天然启动子的活性转化为可定量检测的荧光信号衰减。

为了精细调节电路的动态范围并降低背景噪音，引入了基于DNA 的 “ 海绵 ” 系统，通过添加多个阻遏蛋白结合位点来滴定细胞内本底水平的阻遏蛋白，这一策略显著提升了传感器的信噪比和动态范围，使P BT0779 传感器的激活倍数从约3倍大幅提升至16.1倍。深入的体外表征表明，优化后的传感器对多种渗透物质（如聚乙二醇、盐、糖等）具有剂量依赖性响应，信号变化快速且可逆，能耐受生长速率波动，并可跨多种拟杆菌属物种发挥功能，展现了良好的鲁棒性与可移植性。

上述结果在体内实验中也得到充分验证。在聚乙二醇诱导的小鼠肠道吸收不良模型中，携带PBT0779+160xTetO传感器的工程菌表现卓越。它能够从粪便样本中无创、灵敏地检测到肠道渗透压的细微升高，即使在低剂量处理、尚未引发粪便含水量或性状改变等临床可见症状的亚临床阶段，传感器也能产生高达40倍的强效荧光信号变化，其读数与肠道实际渗透压高度线性相关。

有意思的是，作者意外发现并利用了一种同源重组介导的基因组整合事件（如P opuA +20xTetO_HR变体），该变体因基因组位置效应而获得了更高的本底阻遏水平，从而对中低程度的渗透压变化更为敏感，这为未来精细调控传感器性能提供了新策略。长期实验证实，该传感器能在常规小鼠的复杂肠道菌群中稳定定植超过四周，报告基因丢失率低，且其信号响应具备完全可逆性，在刺激移除后能迅速恢复基线，实现了对肠道环境瞬态变化的动态、长期监测。