【文章推荐*钟超】细菌群体感应元件构建和工程应用

2021年第2期特约评述

细菌群体感应元件构建和工程应用

周爱林^1,2，刘奕¹，巴方¹，钟超^1,3,4

（¹上海科技大学物质科学与技术学院，上海  201210；²上海科技大学生命科学与技术学院，上海  201210；³中国科学院深圳先进技术研究院，深圳合成生物学创新研究院，中国科学院定量工程生物学重点实验室，广东　深圳  518055；⁴中国科学院深圳先进技术研究院，深圳合成生物学创新研究院，材料合成生物学中心，广东　深圳  518055）

引用本文：周爱林, 刘奕, 巴方, 钟超. 细菌群体感应元件构建和工程应用[J]. 合成生物学, 2021, 2(2): 234-246

DOI: 10.12211/2096-8280.2020-066

识别查看全文

摘 要

群体感应现象指的是微生物通过独特的交流方式使不同菌个体间的行为同步，从而展现群体性行为。当前在微生物群体感应系统方面的研究，除了促进或抑制天然群体感应方面的基础研究外，研究人员逐渐开始将群体感应系统引入到合成生物学的工程应用研究，并且将其广泛运用在医学、工业、环境等应用领域。本文主要总结了细菌群体感应元件在构建过程中的常用策略与方法，并探讨了基于群体感应基因元件改造的工程菌在动态代谢调节、周期性振荡呈现、异种菌种间关系的构建等方面的应用。群体感应元件的研究主要包括新群体感应元件的开发和针对已有群体感应元件的优化。通过模拟、优化群体感应元件并将其模块化，研究人员构建了丰富的群体感应基因元件库，使群体感应能被灵活应用于不同场景。另外，通过在细菌中引入群体感应基因回路，可以将单个细菌内部的各类反馈回路较好地拓展到整个细菌群体中，而这种多细胞体系的构建，使得更多复杂的功能得以实现，如通过群体感应实现动态代谢调节从而提高发酵效率，或实现群体周期性振荡以释放肿瘤杀伤药物等。此外，环境中异种微生物的关系也可以通过外源引入群体感应来进行调控，这为微生物的共培养提供了新工具，更为复杂的合成生物学系统的建立提供了新思路。随着机器学习等计算机领域的发展，未来可以更多借助计算机来设计复杂群体感应回路，并对外源群体感应引入后的效果做出更精准的预测。

图表摘要

图1  群体感应的提出及研究进程

图2  群体感应系统的开发与优化

图3  三种典型的基因回路用于调节细胞振荡行为

图4  三种典型思路用于构建多细胞振荡体系

[(a),(b),(c)分别对应三种振荡回路与群体感应结合的思路；（d）利用群体感应形成规律图案[基于思路二构建的系统，通过群体感应，自体诱导物AHL的浓度周期性到达阈值，而菌落边缘的细菌有更强的基因表达能力（表达荧光蛋白），两者构成AND逻辑门，使菌落呈现出规律的图案]；（e）实现更大范围群体周期性行为的同步；（f）利用群体感应实现的震荡系统治疗癌症]

图5  微生物复杂种间关系的构建案例

表1  化学诱导与群体感应在代谢调控中应用的对比

展 望

伴随着对群体感应的理解逐渐深入，人们对于群体感应的应用不再局限于自然的体系。研究人员正从合成生物学的角度，理性地构造、优化、组合不同的群体感应基因元件。同时，研究人员将这些元件进行模块化整合，并运用到动态代谢调节、周期性振荡的呈现、异种菌种间关系的构建等。这些元件在医学治疗、工业生产和生物感受器方面发挥了较为重要的作用。此外，群体感应凭借其介导细菌间信号交流的优秀能力，也成为构建细胞逻辑门中的重要元件，为复杂生物计算提供了很好的平台。而在材料科学方面，群体感应也有很多可能的应用，如通过将群体感应的拮抗剂结合在材料表面发挥抑菌作用，或利用群体感应指导生物材料的生产等。

随着对群体感应的研究不断深入，人们对于群体感应的应用越来越灵活，为了实现更智能、更复杂的功能，基因回路的设计趋于复杂化；然而当构建的回路应用到生物体内时常常会因周边环境的改变而变得无效，这也是整个合成生物学基因回路设计当中经常面临的问题。更值得关注的是，即使在实验室中验证可行的回路，在工业中仍有较高的失败率，较短的反应时间、可逆的响应以及基因在微生物中的稳定性对于基因回路能否在工业中成功应用起到决定性作用。群体感应在前两点上占有较大的优势，但在稳定性方面面临很多挑战。现有应用的群体感应系统为了满足功能上的需求，通常会给宿主微生物造成一定的生存压力，在此情况下，如何保证微生物长期保有稳定的群体感应基因回路显得至关重要。为了防止群体感应回路基因的丢失，学者常常会采取多质粒相互稳定或整合基因组的方式。有学者指出，通过对载体微生物的修饰和对基因序列的优化，可以有效达到降低基因突变率的效果，此方法可以应用于群体感应基因的优化。

以上方法值得进一步探索和发展，另外，在建立复杂回路的过程中，已经有学者开始从工程结构入手研究群体感应，帮助理解复杂群体感应系统。正如Meng等在一篇评论中所提到的，合成生物学发展的第一个十年主题在于合成，而其发展的第二个十年主题在于理性设计。随着机器学习等计算机领域的技术发展，未来有可能更多地借助计算机对复杂基因回路进行理性设计和优化，或通过计算机辅助的蛋白质设计、定向进化等方法，获得更高效的群体感应基因元件。数学、物理、计算机等多学科的结合，将为复杂回路和多细胞群体体系的构建提供巨大便利。而通过研究和构造这样的多细胞体系，也能够帮助我们理解自然中一些规则图案的形成模式，同时也为组织工程、生物活体功能材料构造和生物传感器等方面的研究提供新思路。

通讯作者及团队介绍

钟超博士，现任中国科学院深圳先进技术研究院研究员、合成生物学研究所材料合成生物中心主任、深圳柏垠生物科技有限公司创始人。2009年于康奈尔大学获得博士学位，曾先后于2009—2011年、2012—2014年在华盛顿大学(西雅图分校)和麻省理工学院从事博士后研究，2014—2020年于上海科技大学担任研究员工作。获得国家重点人才引进工程青年项目，并作为负责人承担科技部重点研发计划合成生物学重点专项等课题。已在Nat. Nano., Nat. Chem. Biol., Nat. Rev. Mater. 等刊物发表40多篇学术论文（作为第一作者或通讯作者）。

研究领域是国际上兴起的材料合成生物学前沿领域，课题组主要研究方向是利用合成生物技术发展新材料，包括活体功能材料和蛋白水下黏合材料。

责任编辑：焦欣渝

排版设计：任晓静

总监制：胡晓丹

2021年第1期目录

《合成生物学》编辑