想象一下，肉眼看不见的微型工厂，不知疲倦地在体内工作。它们实时响应疾病信号，精确地生产出身体治愈所需的物质——不多也不少。这并非科幻小说，而是由生物工程酵母细胞驱动的医学未来。
近日，新加坡国立大学杨潞龄医学院的研究人员通过改造酿酒酵母，构建了一种能够执行复杂任务并根据外部信号自我调节组成的微生物群落。这一突破性的技术令菌群能通过实时适应患者状况提供定制化治疗，使其成为精准医疗或人体肠道治疗应用的理想选择。
也就是说，这种智能酵母通过动态响应疾病信号，调整其结构和活性，以提供适量的治疗化合物，从而确保酵母只生产所需的化合物，减少浪费并提高精度。
这项研究以题为“Tunable cell differentiation via reprogrammed mating-type switching”发表在 Nature Communications 期刊。
酿酒酵母的细胞有两种生活形态，单倍体和二倍体。单倍体的生活史较简单，通过有丝分裂繁殖，在环境压力较大时通常会死亡；二倍体是酵母的优势形态，可以通过简单的有丝分裂繁殖，但在外界条件不佳时能进入减数分裂，生成一系列单倍体的孢子。单倍体的交配类型有两种，即 a 型和 α 型，这两种单倍体可以交配，重新形成二倍体。单倍体酵母是a型还是α型，由单个基因座 MAT 所决定。
在自然界中，酿酒酵母要实现交配类型转换涉及 HO 基因的表达，HO 基因编码一种对交配类型转换过程至关重要的位点特异性内切酶，通过启动定向 DNA 修复机制来促进性别分化，该机制将在 MAT 基因座 10、11、12 处相互转换交配类型等位基因。
在这项研究中，研究人员重新编程了酵母交配类型转换机制，以实现可调节的细胞分化，促进合成微生物联合体的形成和协同作用。
为了能够人工控制 HO 基因表达，令酵母分化成两种能够协同工作的不同类型。研究人员选取了酵母菌株 BY4742 作为基础菌株，这种 α 交配型单倍体菌株携带 T 到 A 的“stuck mutation”，使 a 到 α 交配型转换率降低 70–90% 。这种改变使整体转换偏向 α 到 a 交配型，因此，通过调整诱导物浓度来调节交配型转换程度，可以微调种群组成。
为了生成不育单倍体酵母菌株，研究人员删除了菌株中交配信号相关基因（交配信息素和信息素受体基因），成功构建了三基因缺失菌株MTS007（该菌株的 MFα1、MFα2 和 STE3 基因全部被破坏）。并在此基础上，进一步开发了荧光报告系统，实现了在单细胞水平上对交配型的精确判定。具体来说，将 GFP 和 mCHERRY 基因分别整合到不育 α 交配型单倍体菌株 MTS007 的 mfα1∆ 和 MFa1 基因座中，以产生菌株 MTS008α。
在构建逻辑门的实验中，研究人先尝试直接调控HO 表达。他们将 MTS008α 菌株中的 HO 启动子和隐性 ho 基因替换为诱导型 GAL1 启动子和显性 HO 基因，构建出 YES 逻辑门。实验结果显示，在半乳糖诱导下，该逻辑门能够促使微生物菌群的形成，其中包含不同比例的交配型单倍体。然而，该逻辑门构建的菌群组成受限于平衡态，难以实现多样化。
接着，研究人员探索了间接调控 HO 表达的方式。他们通过 ASH1 mRNA 不对称运输系统，并调节其中 SHE3 基因的表达来构建 YES 逻辑门。实验发现，在葡萄糖存在时，SHE3 表达受抑制，导致 ASH1 mRNA 不对称运输系统被破坏，HO 表达在单倍体母细胞和子细胞中均被对称抑制；而在半乳糖存在时，SHE3 表达激活，恢复了 ASH1 mRNA 不对称运输系统，使得单倍体母细胞能够切换交配型，从而形成具有不同协作类型的微生物菌群。
但是，该逻辑门在非诱导条件下存在交配型切换泄漏的问题，即哪怕在没有诱导剂（如半乳糖）存在的情况下，也会出现一定程度的交配型切换现象。为了克服这一难题，研究人员构建了 AND 逻辑门，通过将泄漏的 HO 启动子替换为杂交启动子，并引入 TetR 蛋白实现基础 HO 抑制。最终，只有在四环素和半乳糖同时存在时，才能解除抑制，激活 HO 表达和交配型切换，进而形成微生物菌群。
因此，这种构建的 AND 逻辑门不但能够精确调控菌群组成，而且菌群在无诱导剂条件下具有良好的稳定性。在重新诱导时，研究人员只要补充诱导剂，菌群仍能发生交配型切换，实现了对群体组成的精确控制。
研究人员表示，“在肠道中，这些酵母细胞将可以根据疾病信号自发调整它们的平衡和活性，而无需任何手动调整。由于群落可以独立分裂成不同类型的细胞并协同工作，这一技术还可以减少细胞的压力，允许其精确地产生有益的化合物，非常适合应用于个性化医疗领域。”
目前，研究团队正在微调他们的结果，重点是优化酵母菌群如何根据各种疾病标志物调整其行为，然后，他们将探索利用这种自主系统产生有益健康的分子来治疗特定疾病的功效。
不仅如此，这一技术在生物合成领域也有着巨大的应用潜力。研究人员选择了木聚糖降解途径开展实验。木聚糖是一种丰富的植物生物质，通过生物转化可以转化为可发酵的糖，进而用于生产生物燃料和化学品。研究人员先构建了质粒 pRSII416-XynII-XylA，借助该质粒，促使两种相反交配型的单倍体分别表达木聚糖酶 XynII 和 β-木糖苷酶 XylA，这两种酶依次发挥作用，将木聚糖转化为木糖。实验结果表明，这种具有交配型异质性的菌群成功实现了木糖的产出。尤其当相反交配型单倍体比例达到平衡时，木糖产量更为可观。
总而言之，这项研究的意义不仅为我们提供了一种新的微生物群落构建方法与思路——即通过精确控制细胞分化和群体组成，研究人员可以更好的优化生物合成途径，提高生产效率，同时减少代谢废物的产生，也为个性化医疗的发展带来了新的可能性。
参考文献：
1.https://phys.org/news/2024-12-reprogrammed-yeast-cells-drug-delivery.html
2.https://www.nature.com/articles/s41467-024-52282-w
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