ACS Synthetic Biology | 深圳先进院实现了用光学方法控制细菌的运动行为_合成生物

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ACS Synthetic Biology | 深圳先进院实现了用光学方法控制细菌的运动行为

发布时间 2021-03-10 10:58点击次数 166次

近期,中国科学院深圳先进技术研究院合成所金帆团队和华中科技大学刘智团队合作设计了基于铜绿假单胞菌为载体的工程菌株,实现了用光学方法控制细菌的运动行为及其在宿主上的感染力,相关研究成果以“Optogenetic Modification of Pseudomonas aeruginosa Enables Controllable Twitching Motility and Host Infection”为题发表于国际学术期刊ACS Synthetic Biology。中国科学院深圳先进技术研究院的博士后夏爱国为文章的第一作者,助理研究员倪磊、研究员金帆以及华中科技大学的刘智教授为共同通讯作者。

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环磷酸腺苷(cAMP)是铜绿假单胞菌内部重要的二级信使分子,在调节细菌碳源代谢、四型菌毛的组装合成以及细菌毒力等方面发挥关键作用。cAMP在调节细菌某一生理功能时,通常会对影响这一生理功能的多个组件蛋白的表达量同时调节,从而保证这一生理状态的转变。例如,cAMP-Vfr通过对四型菌毛结构蛋白PilA、马达蛋白PilT, PilB以及转录调节蛋白PilR等在表达水平上的共同控制而实现对细菌蹭行运动的调节, cAMP-Vfr也通过对细菌内三型分泌系统调节因子ExsA、外毒素蛋白ToxA等表达量的共同控制来调节细菌的毒力。诸如以上蹭行运动、细菌毒力等细菌生理功能的转变,通常不容易通过对单一或少量基因表达量的控制来完成。

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图一:工程菌株pactm的设计原理和应用图示

基于以上认识,金帆课题组团队在铜绿假单胞菌底盘上引入了光敏性的cAMP合成酶,经过一系列改造,构建得到一种工程菌株(命名为pactm)。该工程菌株可以响应蓝光的照射而可逆地改变自身蹭行运动的活性以及对宿主的感染能力。在蓝光照射下,pactm的cAMP应答启动子表达量增加了15倍,蹭行运动活性增加了8倍。裸鼠皮下感染模型显示,蓝光照射使pactm感染引起的小鼠皮肤损伤面积增加了14倍,因此这一工作为可控感染实验模型的构建提供了一个解决方法。此外,作者还通过宏观的光照模式设计,成功实现了对细菌群体扩张方向的引导,为研究微生物之间的相互作用提供了便利。

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图二:通过光照控制细菌对小鼠的感染力

该研究得到了科技部重大研发计划、国家自然科学基金和深圳合成生物学创新研究院等项目支持。