中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員金帆團(tuán)隊(duì)和華中科技大學(xué)教授劉智團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)了基于銅綠假單胞菌為載體的工程菌株，實(shí)現(xiàn)了用光學(xué)方法控制細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)行為及其在宿主上的感染力，相關(guān)研究成果以O(shè)ptogenetic Modification of Pseudomonas aeruginosa Enables Controllable Twitching Motility and Host Infection為題，發(fā)表在ACS Synthetic Biology上。深圳先進(jìn)院博士后夏愛(ài)國(guó)為論文第一作者，助理研究員倪磊、研究員金帆以及華中科技大學(xué)教授劉智為論文共同通訊作者。

環(huán)磷酸腺苷（cAMP）是銅綠假單胞菌內(nèi)部重要的二級(jí)信使分子，在調(diào)節(jié)細(xì)菌碳源代謝、四型菌毛的組裝合成以及細(xì)菌毒力等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。cAMP在調(diào)節(jié)細(xì)菌某一生理功能時(shí)，通常會(huì)對(duì)影響這一生理功能的多個(gè)組件蛋白的表達(dá)量同時(shí)調(diào)節(jié)，從而保證這一生理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。例如，cAMP-Vfr通過(guò)對(duì)四型菌毛結(jié)構(gòu)蛋白PilA、馬達(dá)蛋白PilT、PilB以及轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白PilR等在表達(dá)水平上的共同控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌蹭行運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)，cAMP-Vfr通過(guò)對(duì)細(xì)菌內(nèi)三型分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)因子ExsA、外毒素蛋白ToxA等表達(dá)量的共同控制來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)菌的毒力。諸如以上蹭行運(yùn)動(dòng)、細(xì)菌毒力等細(xì)菌生理功能的轉(zhuǎn)變，通常不容易通過(guò)對(duì)單一或少量基因表達(dá)量的控制來(lái)完成。

基于此，金帆課題組在銅綠假單胞菌底盤(pán)上引入了光敏性的cAMP合成酶，經(jīng)過(guò)一系列改造，構(gòu)建得到一種工程菌株（命名為pactm）。該工程菌株可以響應(yīng)藍(lán)光的照射而可逆地改變自身蹭行運(yùn)動(dòng)的活性以及對(duì)宿主的感染能力。在藍(lán)光照射下，pactm的cAMP應(yīng)答啟動(dòng)子表達(dá)量增加了15倍，蹭行運(yùn)動(dòng)活性增加了8倍。裸鼠皮下感染模型顯示，藍(lán)光照射使pactm感染引起的小鼠皮膚損傷面積增加了14倍，該工作為可控感染實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建提供了一個(gè)解決方法。此外，科研人員還通過(guò)宏觀的光照模式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)菌群體擴(kuò)張方向的引導(dǎo)，為研究微生物之間的相互作用提供了便利。

圖1.工程菌株pactm的設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用圖示

圖2.通過(guò)光照控制細(xì)菌對(duì)小鼠的感染力

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acssynbio.0c00559