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研究人員開發新型光敏蛋白實現用光學方法控制細菌感染

2021-06-23 09:57:33 來源：中國科學報

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

該研究實現了對宿主體內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對宿主健康和死亡的影響，有望探索和發現致病菌新的致病機理，進而加速相關創新療法的開發。

對于人類疾病預防而言，了解細菌如何感染人體，進而對細菌感染行為進行調控至關重要。細菌的感染通常呈現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生不同影響——急性感染下，細菌會引起宿主急性炎癥反應；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。

有別于利用化學誘導物進行基因表達調控的傳統手段，研究團隊利用光遺傳學調控的方式，基于銅綠假單胞菌GacS蛋白和GacA蛋白組成的雙組分系統，開發了新型光敏蛋白YGS24。

“GacS-GacA雙組分系統在銅綠假單胞菌急性和慢性感染模式的切換上有著關鍵性的調控作用。GacS蛋白通過調節GacA蛋白的磷酸化程度對下游致病相關基因進行調控。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，構建了YGS24-GacA光控系統，對銅綠假單胞菌的感染行為進行精確的光調控。”

利用YGS24-GacA光控系統，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，成功實現了細菌對線蟲致病能力的藍光調控。此外，通過該光控系統，利用顯微鏡技術和微流控技術，研究團隊成功實現了對秀麗隱桿線蟲腸腔內銅綠假單胞菌致病調控回路的原位光誘導。

“YGS24光敏蛋白的研發擴充了光遺傳學的工具庫，同時它也是在銅綠假單胞菌中開發的第一個光敏蛋白。它將推動光遺傳學在微生物研究領域的發展，還將在細菌感染行為相關的基礎研究中發揮獨特作用。”楊帥表示。

標簽：新型光敏蛋白細菌感染光學