合成生物學(xué)家將微生物的基因組與合成基因電路相結(jié)合，以分解污染性塑料，非侵入性地診斷和治療人體腸道感染，并在長(zhǎng)途太空飛行中產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)。雖然在實(shí)驗(yàn)室中顯示出巨大的希望，但這些技術(shù)需要控制和安全措施，以確保工程微生物在許多細(xì)胞分裂中保持其功能基因回路完整，并且它們被包含在它們所針對(duì)的特定環(huán)境中。
過(guò)去由哈佛大學(xué)生物啟發(fā)工程學(xué)院Wyss研究所領(lǐng)導(dǎo)的核心學(xué)院成員Pamela Silver和James Collins在細(xì)菌中創(chuàng)造了“殺傷開(kāi)關(guān)”，導(dǎo)致他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室條件下不再需要時(shí)自殺。“我們需要進(jìn)一步開(kāi)展我們以前的工作，開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期穩(wěn)定的殺傷開(kāi)關(guān)，并且在實(shí)際應(yīng)用中也很有用，”Silver說(shuō)，他也是Elliot T.和Onie H. Adams生物化學(xué)教授和哈佛醫(yī)學(xué)院的系統(tǒng)生物學(xué)(HMS)。她的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在在Molecular Cell上報(bào)告了兩種新型殺傷開(kāi)關(guān)，可以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。新的殺傷開(kāi)關(guān)是自給自足的，并且在進(jìn)化的細(xì)菌群體中高度穩(wěn)定，并且它們持續(xù)了許多代。
對(duì)于第一種類型的殺菌開(kāi)關(guān)，“Essentializer”，Silver的團(tuán)隊(duì)利用他們以前設(shè)計(jì)的“記憶元素”，允許大腸桿菌細(xì)菌記住在他們的環(huán)境中遇到特定的刺激。記憶元素來(lái)自一種名為噬菌體λ的細(xì)菌感染病毒，要么保持沉默，要么通過(guò)永久性地打開(kāi)科學(xué)家可以追蹤的可見(jiàn)報(bào)告轉(zhuǎn)基因來(lái)報(bào)告信號(hào)的發(fā)生。信號(hào)可以是任何分子，例如腸道中的炎性細(xì)胞因子或環(huán)境中的毒素。
在他們最近的研究中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種方法，確保記憶元素在超過(guò)一百代的細(xì)菌群體進(jìn)化過(guò)程中不會(huì)從基因組中丟失。在此期間，個(gè)體細(xì)菌的基因組獲得隨機(jī)突變，這些突變也可能發(fā)生在記憶元件中，在它們的尾跡中摧毀它。研究人員將Essentializer作為細(xì)菌基因組中另一個(gè)位置的獨(dú)立元素進(jìn)行了介紹。只要記憶元件保持完整，控制其功能的兩種噬菌體因子中的任何一種也抑制由Essentializer編碼的毒素基因的表達(dá)。然而，毒素基因仍然有些“滲漏”，仍然產(chǎn)生殘留量的可以殺死細(xì)胞的毒素。為了保持這些殘留的毒素水平，
“通過(guò)將記憶元素的功能與Essentializer的功能聯(lián)系起來(lái)，我們基本上將大腸桿菌的存活與存儲(chǔ)元件的存在聯(lián)系起來(lái)。從細(xì)菌基因組中去除記憶元素，這也消除了兩種毒素抑制噬菌體因子，立即觸發(fā)殺傷開(kāi)關(guān)產(chǎn)生大量毒素，壓倒抗毒素并消除人群中受影響的細(xì)菌，“第一作者，與Silver合作的研究生Finn Stirling說(shuō)。“為了創(chuàng)建這種復(fù)雜的制衡系統(tǒng)，我們還確保殺傷開(kāi)關(guān)本身保持完整，這是未來(lái)應(yīng)用的重要先決條件;我們證實(shí)它們?cè)诖蠹s140個(gè)細(xì)胞分裂后仍然可以正常運(yùn)行。”
團(tuán)隊(duì)稱之為“Cryodeath”的第二種殺傷開(kāi)關(guān)能夠使用相同的毒素/抗毒素組合將細(xì)菌限制在特定的溫度范圍內(nèi)，但以不同的方式調(diào)節(jié)它。同樣，產(chǎn)生了低水平的抗毒素，毒素基因與賦予冷敏感性的調(diào)節(jié)序列相關(guān)。將細(xì)菌從它們應(yīng)該茁壯成長(zhǎng)的37°C轉(zhuǎn)移到22°C，有效誘導(dǎo)毒素表達(dá)并殺死細(xì)菌。在開(kāi)創(chuàng)性的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)證明了Cryodeath在體內(nèi)的有用性。在將含有殺滅開(kāi)關(guān)的大腸桿菌菌株引入小鼠后，在糞便樣品中只有100,000個(gè)細(xì)菌存活。“ 這一進(jìn)步使我們更加接近合成工程微生物在人體或環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。我們現(xiàn)在正在努力實(shí)現(xiàn)可以響應(yīng)不同環(huán)境刺激的殺傷開(kāi)關(guān)組合，以提供更嚴(yán)格的控制，“Silver說(shuō)。
“這項(xiàng)研究顯示我們的團(tuán)隊(duì)如何利用合成生物學(xué)不僅重新編程微生物來(lái)創(chuàng)造能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)和環(huán)境治療發(fā)揮有用功能的活細(xì)胞裝置，而且以對(duì)所有人都安全的方式做到這一點(diǎn)，”Wyss Institute說(shuō)。創(chuàng)始董事Donald Ingber，醫(yī)學(xué)博士，博士，同時(shí)也是HMS血管生物學(xué)的Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及哈佛大學(xué)生物工程教授John A. Paulson工程學(xué)院和應(yīng)用科學(xué)(SEAS)。