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

2021-06-23 09:57:33 來源：中國科學(xué)報

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

該研究實現(xiàn)了對宿主體內(nèi)細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)致病菌新的致病機理，進而加速相關(guān)創(chuàng)新療法的開發(fā)。

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

該研究中，研究團隊選取了常見的機會性致病菌——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)物進行基因表達調(diào)控的傳統(tǒng)手段，研究團隊利用光遺傳學(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)基因進行調(diào)控。當GacA蛋白的磷酸化水平高時，細菌傾向于形成生物被膜，慢性感染相關(guān)基因的表達被促進；而當GacA蛋白的磷酸化水平低時，細菌更傾向于表達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行精確的光調(diào)控。”

利用YGS24-GacA光控系統(tǒng)，研究團隊在 “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，成功實現(xiàn)了細菌對線蟲致病能力的藍光調(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)，研究團隊成功實現(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，還將在細菌感染行為相關(guān)的基礎(chǔ)研究中發(fā)揮獨特作用。”楊帥表示。

標簽：新型光敏蛋白細菌感染光學(xué)