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研究人員開發(fā)新型光敏蛋白實(shí)現(xiàn)用光學(xué)方法控制細(xì)菌感染

2021-06-23 09:57:33 來源：中國科學(xué)報

近日，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所金帆團(tuán)隊(duì)與黃術(shù)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)關(guān)于細(xì)菌感染的研究成果，以封面文章的形式發(fā)表于《美國化學(xué)會—合成生物學(xué)》。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于銅綠假單胞菌的新型光敏蛋白YGS24，實(shí)現(xiàn)了用光學(xué)方法控制細(xì)菌對宿主的感染行為。

該研究實(shí)現(xiàn)了對宿主體內(nèi)細(xì)菌致病能力的定量和時間控制，從而可以揭示其局部和系統(tǒng)對宿主健康和死亡的影響，有望探索和發(fā)現(xiàn)致病菌新的致病機(jī)理，進(jìn)而加速相關(guān)創(chuàng)新療法的開發(fā)。

對于人類疾病預(yù)防而言，了解細(xì)菌如何感染人體，進(jìn)而對細(xì)菌感染行為進(jìn)行調(diào)控至關(guān)重要。細(xì)菌的感染通常呈現(xiàn)急性和慢性兩種模式。而細(xì)菌不同的感染行為往往會對宿主產(chǎn)生不同影響——急性感染下，細(xì)菌會引起宿主急性炎癥反應(yīng)；慢性感染下，細(xì)菌往往會形成生物被膜，對抗生素和宿主免疫系統(tǒng)具有更強(qiáng)的耐受性，不易被根治。

該研究中，研究團(tuán)隊(duì)選取了常見的機(jī)會性致病菌——銅綠假單胞菌作為研究模型。“這是一種對人體和動植物均有潛在致病性的革蘭氏陰性菌，它的臨床分離率較高。對于免疫受損以及皮膚或黏膜受損的病人來說，銅綠假單胞菌感染具有很高的發(fā)病率和致死率。”論文共同通訊作者楊帥表示。

有別于利用化學(xué)誘導(dǎo)物進(jìn)行基因表達(dá)調(diào)控的傳統(tǒng)手段，研究團(tuán)隊(duì)利用光遺傳學(xué)調(diào)控的方式，基于銅綠假單胞菌GacS蛋白和GacA蛋白組成的雙組分系統(tǒng)，開發(fā)了新型光敏蛋白YGS24。

“GacS-GacA雙組分系統(tǒng)在銅綠假單胞菌急性和慢性感染模式的切換上有著關(guān)鍵性的調(diào)控作用。GacS蛋白通過調(diào)節(jié)GacA蛋白的磷酸化程度對下游致病相關(guān)基因進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)GacA蛋白的磷酸化水平高時，細(xì)菌傾向于形成生物被膜，慢性感染相關(guān)基因的表達(dá)被促進(jìn)；而當(dāng)GacA蛋白的磷酸化水平低時，細(xì)菌更傾向于表達(dá)與急性感染模式相關(guān)的基因。”楊帥解釋道，“我們以YGS24蛋白取代細(xì)菌中原有的GacS蛋白，構(gòu)建了YGS24-GacA光控系統(tǒng)，對銅綠假單胞菌的感染行為進(jìn)行精確的光調(diào)控。”

利用YGS24-GacA光控系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)在 “致命麻痹”和“緩慢殺戮”的秀麗隱桿線蟲—銅綠假單胞菌致病模型中，成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌對線蟲致病能力的藍(lán)光調(diào)控。此外，通過該光控系統(tǒng)，利用顯微鏡技術(shù)和微流控技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對秀麗隱桿線蟲腸腔內(nèi)銅綠假單胞菌致病調(diào)控回路的原位光誘導(dǎo)。

“YGS24光敏蛋白的研發(fā)擴(kuò)充了光遺傳學(xué)的工具庫，同時它也是在銅綠假單胞菌中開發(fā)的第一個光敏蛋白。它將推動光遺傳學(xué)在微生物研究領(lǐng)域的發(fā)展，還將在細(xì)菌感染行為相關(guān)的基礎(chǔ)研究中發(fā)揮獨(dú)特作用。”楊帥表示。

標(biāo)簽：新型光敏蛋白細(xì)菌感染光學(xué)