賴斯大學(xué)的合成生物學(xué)家通過即插即用系統(tǒng)入侵細菌感應(yīng)領(lǐng)域，該系統(tǒng)可用于混搭成千上萬的感官輸入和基因輸出。該技術(shù)對醫(yī)學(xué)診斷，致命病原體的研究，環(huán)境監(jiān)測等具有廣泛的意義。

賴斯生物工程師杰夫·塔博爾（Jeff Tabor）及其同事在一個長達6年的項目中進行了數(shù)千次實驗，表明他們可以系統(tǒng)地對兩組分系統(tǒng)進行布線，這是細菌用來感知周圍環(huán)境并聆聽鄰居的遺傳電路。他們的工作發(fā)表在本周發(fā)表于《自然化學(xué)生物學(xué)》上的一項研究中。

塔博爾的小組重新布線了已知細菌傳感器的輸出，并在遠距離相關(guān)的細菌之間移動了傳感器。最重要的是，他們表明他們可以識別未知傳感器的功能。

賴斯布朗工程學(xué)院生物工程副教授，該項目的首席科學(xué)家塔博爾說：“基于基因組分析，我們知道細菌中至少有25,000個雙組分系統(tǒng)。” “但是，對于其中大約99％的人，我們不知道它們的感受或它們激活的基因是什么�！�

2018年發(fā)現(xiàn)了兩株致命的，多藥耐藥細菌，該細菌使用未知的兩組分系統(tǒng)逃避大腸桿菌素，這是最后一種抗生素，這凸顯了一種新的工具可以解鎖兩組分系統(tǒng)的重要性。但塔博爾說，該工具的可能用途不僅僅限于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

他說：“這是自然界最大的生物傳感器寶庫。” “基于我們所理解的某些由兩部分組成的系統(tǒng)的出色的特異性和靈敏性，人們普遍認為細菌傳感器的性能將超過人類使用當今最好的技術(shù)所能做出的任何事情。”

塔博爾說，這是因為細菌傳感器已經(jīng)經(jīng)過數(shù)十億年的發(fā)展和完善。

“細菌幾乎沒有眼睛，耳朵或鼻子那么復(fù)雜，但是它們在非常不同的環(huán)境（例如葉子，腸子或土壤）之間傳播，它們的生存取決于它們感知并適應(yīng)這些變化的能力，“ 他說。

塔博爾說：“兩組分系統(tǒng)是它們的工作方式�！� “這些系統(tǒng)是他們用來“看到”光線，“聞”周圍的化學(xué)物質(zhì)并“聽到”社區(qū)最新消息的系統(tǒng)，這些消息以鄰居們廣播的生物化學(xué)推文的形式出現(xiàn)。”

細菌是生命中最豐富的形式，幾乎在每個已測序的細菌基因組中都出現(xiàn)了兩組分系統(tǒng)。大多數(shù)物種有大約二十個傳感器，有些則有數(shù)百個。

有兩類系統(tǒng)的六大類，但它們都以相似的方式工作。它們具有傳感器激酶（SK）組件，可“監(jiān)聽”來自外界的信號，并在“聽到”信號時啟動稱為磷酸化的過程。激活第二個組件，即作用于特定基因的響應(yīng)調(diào)節(jié)器（RR），將其像開關(guān)一樣打開或關(guān)閉，或者像撥盤一樣打開或關(guān)閉。

雖然在基因組掃描中很容易發(fā)現(xiàn)這些成分的遺傳密碼，但雙重神秘性使生物學(xué)家?guī)缀鯚o法確定兩成分系統(tǒng)的功能。

塔博爾說：“如果你不知道它所感知的信號，也不知道它所作用的基因，那真的很難�！� “我們知道兩種成分系統(tǒng)的輸入或輸出約占1％，而輸入和輸出都知道更少�！�

科學(xué)家確實知道，SK分子通常是跨膜蛋白，具有感應(yīng)域（一種生化天線），可以穿透細菌的囊狀外膜。每個傳感器域均設(shè)計為鎖存在特定的信號分子或配體上。每個SK都有其自己的靶配體，與配體的結(jié)合是啟動鏈式反應(yīng)的開啟或關(guān)閉基因的鏈式反應(yīng)。

重要的是，盡管每個兩組分系統(tǒng)都針對特定配體進行了優(yōu)化，但它們的SK和RR組分的工作方式相似�？紤]到這一點，Tabor和研究合作的主要作者塞巴斯蒂安·施密德爾（Sebastian Schmidl）在2013年底決定嘗試交換DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，這是應(yīng)答調(diào)節(jié)劑中識別DNA并激活該途徑的靶基因的部分。

塔博爾說：“如果你看一下以前的結(jié)構(gòu)研究，DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域通�？雌饋砭拖袷菑牧姿峄�結(jié)構(gòu)域搭便車的貨物�！� “因此，我們認為DNA結(jié)合域可能像可互換的模塊或Lego塊一樣起作用�！�

為了驗證該想法，Schmidl，當時是Tabor小組的DFG博士后研究員，重新接線了Tabor團隊先前開發(fā)的兩個光傳感器的組件，其中一個對紅光響應(yīng)，另一個對綠色響應(yīng)。Schmidl在磷酸化和DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域之間的39個不同位置將紅光傳感器的輸入重新布線到綠光傳感器的輸出。為了查看這39個接頭中的任何一個是否起作用，他用紅光刺激了它們并尋找綠光響應(yīng)。

塔博爾說：“他們中有十個人在第一次嘗試時就工作過，并且有一個最佳的，特定的位置，拼接處確實工作良好�！�

實際上，該測試效果很好，他和Schmidl認為他們可能只是很幸運，并且將兩條異常匹配的途徑拼接在一起。因此，他們重復(fù)了測試，首先將四個其他DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域連接到同一響應(yīng)調(diào)節(jié)器，然后將五個DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域連接到同一傳感器路徑。這些重新布線中的大多數(shù)也都起作用，這表明該方法比以前發(fā)布的任何方法都更加模塊化。

Schmidl現(xiàn)在是德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)系統(tǒng)Bryan校區(qū)RELLIS校區(qū)的生物學(xué)助理教授，于2016年離開賴斯。合著者Felix Ekness，博士。萊斯系統(tǒng)，合成與物理生物學(xué)（SSPB）計劃的一名學(xué)生，然后開始了該項目，設(shè)計了數(shù)十種新的嵌合體，并進行了數(shù)百次實驗，證明該方法可用于混合和匹配不同細菌種類之間的DNA結(jié)合域以及不同系列的兩組件系統(tǒng)之間。

塔博爾知道，一流的期刊將需要演示如何使用該技術(shù)，并且發(fā)現(xiàn)全新的兩組分系統(tǒng)的功能是最終的考驗。為此，博士后研究員Kristina Daeffler和SSPB博士。凱瑟琳·布林克（Kathryn Brink）的學(xué)生將Oneidensis細菌中的七個不同的未知兩組分系統(tǒng)移植到了大腸桿菌中。他們?yōu)槊總�未知的傳感器設(shè)計了一種新的大腸桿菌菌株，并使用DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域交換將其所有活性與綠色熒光蛋白的表達聯(lián)系起來。

盡管他們不知道這七個輸入中的任何一個，但他們確實知道在紐約州北部的一個湖中發(fā)現(xiàn)了S. oneidensis。在此基礎(chǔ)上，他們選擇了117種不同的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)可能會使oneidensis受益。由于每種化學(xué)品都必須與每個突變體和對照組進行一對一的測試，因此Brink必須執(zhí)行和復(fù)制將近1,000個單獨的實驗。當她發(fā)現(xiàn)其中一個傳感器正在檢測pH值變化時，付出了努力。

對新發(fā)現(xiàn)的傳感器進行基因組搜索強調(diào)了擁有一種解鎖兩組分系統(tǒng)的工具的重要性：pH傳感器出現(xiàn)在多種細菌中，包括引起鼠疫的病原體。

塔博爾說：“這突顯了解鎖兩組分系統(tǒng)的機制將如何幫助我們更好地理解并有望更好地治療疾病�！�

塔博爾下一步將把技術(shù)帶到哪里？

他正在用它來挖掘人類腸道細菌的基因組，以尋找新型疾病傳感器，包括炎癥性腸病和癌癥，目的是設(shè)計出可以診斷和治療這些疾病的新一代智能益生菌。