科學(xué)家妙手改造， 細(xì)菌或成治病良藥

編譯 舒愉棉

通過(guò)對(duì)DNA進(jìn)行改造，研究人員正致力于創(chuàng)造可以用來(lái)治愈罕見(jiàn)遺傳疾病的攝入式微生物，這一工作一旦成功，將會(huì)在合成生物學(xué)發(fā)展歷程上具有里程碑式的重要意義。

加利福尼亞州一所醫(yī)院內(nèi)，一名新生兒正在進(jìn)行苯丙酮尿癥（PKU）檢查。苯丙酮尿癥是一種罕見(jiàn)的先天代謝性疾病，是由于染色體基因突變導(dǎo)致肝臟中苯丙氨酸羥化酶(PAH)缺陷從而引起苯丙氨酸(PA)代謝障礙所致

2018年暑假，在一項(xiàng)研究實(shí)驗(yàn)中，一組志愿者喝下了一管摻有數(shù)百萬(wàn)細(xì)菌的白色、薄荷狀混合物。這些細(xì)菌經(jīng)過(guò)工程改造，能夠分解血液里天然產(chǎn)生的有毒物質(zhì)。我們中的絕大多數(shù)人的身體可以不依靠任何外力完成這一工作，而對(duì)于那些無(wú)法做到這一點(diǎn)的人而言，這些經(jīng)過(guò)改良的微生物未來(lái)將可能成為解決這一問(wèn)題的活體藥物。

這一實(shí)驗(yàn)在合成生物學(xué)領(lǐng)域具有重要的里程碑意義。20年前，研究人員開(kāi)始搗鼓活體生物，就像工程師們搗鼓電器一樣?；虿⒉粏为?dú)工作，而是與眾多不同基因一起合作來(lái)起到激活或者抑制其他基因的效果，因此研究人員利用這一點(diǎn)，發(fā)展了合成生物學(xué)。合成生物學(xué)改良這些互相通訊的小分子，創(chuàng)造出可以對(duì)新的信號(hào)做出反應(yīng)或者是對(duì)特定信號(hào)做出新反應(yīng)的細(xì)胞。直到今天，他們的研究成果在工業(yè)生產(chǎn)上的影響是最為強(qiáng)大的。經(jīng)過(guò)生物工程改良過(guò)的細(xì)菌被用來(lái)作為生產(chǎn)“工廠”，合成諸如抗體或衣物原料等復(fù)雜分子。

不過(guò)近年來(lái)，大量研究小組已經(jīng)將他們的研究重點(diǎn)向人體體內(nèi)轉(zhuǎn)移。他們希望能夠利用合成生物學(xué)將微生物改良為可以進(jìn)入我們?nèi)梭w并且從內(nèi)治愈疾病的良藥。開(kāi)篇提到的實(shí)驗(yàn)是由美國(guó)麻省理工學(xué)院旗下企業(yè)Synlogic公司開(kāi)展進(jìn)行的，而志愿者喝下的微生物菌劑極有可能成為通過(guò)美國(guó)食品藥品管理局（FDA）審批的首例基于合成生物學(xué)的研發(fā)出的治療藥物。

菌劑里的微生物是專(zhuān)為治療一種名為苯丙酮尿癥（PKU）的罕見(jiàn)遺傳病而設(shè)計(jì)的。該病患者自身無(wú)法降解膳食蛋白質(zhì)在人體內(nèi)消化分解產(chǎn)生的一種氨基酸副產(chǎn)物——苯丙氨酸，因此必須避免攝入諸如肉類(lèi)和奶酪等食物。在血液中的無(wú)法分解的苯丙氨酸隨著量的積累，會(huì)對(duì)大腦中的神經(jīng)元造成損害，并引發(fā)生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、智力障礙和神經(jīng)官能失調(diào)等癥狀。

苯丙酮尿癥的傳統(tǒng)治療方法是嚴(yán)格限制膳食內(nèi)蛋白質(zhì)攝入并通過(guò)輔食對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素加以補(bǔ)充。然而在老鼠和猴子的實(shí)驗(yàn)中，研究者發(fā)現(xiàn)Synlogic公司合成的細(xì)菌有可能成為治療苯丙酮尿癥的新曙光。近日，該公司發(fā)布了臨床試驗(yàn)中用該菌在健康人類(lèi)實(shí)驗(yàn)所獲得的陽(yáng)性結(jié)果，接下來(lái)研究人員將在患有苯丙酮尿癥的病人上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，并期待能在2019年獲得并報(bào)道初步結(jié)果。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)合成生物學(xué)家塔爾·達(dá)尼諾（Tal Danino）評(píng)論道，盡管有大量研究者都在研究這一課題，但進(jìn)展最快的屬Synlogic公司，“他們主導(dǎo)了當(dāng)下該研究的前進(jìn)方向”。

“在我看來(lái)，人體內(nèi)只要有細(xì)菌存活的地方，就有可能通過(guò)工程改造讓細(xì)菌發(fā)揮其他作用?！?/p>

——塔爾·達(dá)尼諾

Synlogic公司共同創(chuàng)始人、麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)家詹姆斯·柯林斯（James J. Collins）在2000年發(fā)表了合成生物學(xué)原理的首份論證，他與其研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)大腸桿菌進(jìn)行改造，使其具有在遇到特定化學(xué)物質(zhì)時(shí)可以讓某基因表達(dá)或停止表達(dá)的能力，“就像是給基因安裝了一個(gè)開(kāi)關(guān)”，柯林斯博士在一次采訪中說(shuō)道。

Synlogic公司最新改造的細(xì)菌的透射電鏡照片

一開(kāi)始，科學(xué)家預(yù)想的是：改造后的細(xì)菌可以用作環(huán)境監(jiān)測(cè)器，檢測(cè)空氣傳播的生物武器并釋放化學(xué)信號(hào)來(lái)作為警示。不過(guò)還沒(méi)等到實(shí)現(xiàn)，微生物組學(xué)就應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生了。在21世紀(jì)的前10年，微生物學(xué)家開(kāi)始對(duì)人體內(nèi)菌群進(jìn)行研究與記錄，這些菌群被稱(chēng)為微生物組，它們?cè)诮】等梭w內(nèi)普遍存在，數(shù)量龐大，種類(lèi)繁多?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，微生物組在人體內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生各種生物化學(xué)分子，而正是其中的部分產(chǎn)物保護(hù)我們不受疾病侵害。

合成生物學(xué)家很快就開(kāi)始思考，是否可以在微生物組內(nèi)加入經(jīng)過(guò)改造的細(xì)菌來(lái)發(fā)揮其他作用，比如作為體內(nèi)感知疾病信號(hào)的監(jiān)測(cè)器，或者以直腸為根據(jù)地制造身體所需的藥物。“不要低估微生物組的影響力”，曾師從柯林斯博士、現(xiàn)在加州大學(xué)圣地亞哥分校擁有獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室的杰夫·哈斯提（Jeff Hasty）介紹道，“簡(jiǎn)而言之，微生物組的研究改變了一切?！?/p>

柯林斯博士和麻省理工學(xué)院的另一位合成生物學(xué)家盧冠達(dá)（Timothy K.Lu）在2013年共同創(chuàng)立了Synlogic公司。該公司在成立伊始就開(kāi)始尋找可以研究的疾病，其中一個(gè)就是苯丙酮尿癥，而全美患有該疾病的人高達(dá)16500人。

盡管現(xiàn)在已經(jīng)有藥物可以降低血液內(nèi)的苯丙氨酸含量，但藥物僅僅對(duì)一小部分病人有效，同時(shí)還會(huì)伴隨有各種副作用?！爱?dāng)下能夠治療該疾病的所有方法都不盡如人意?！泵绹?guó)國(guó)家苯丙酮尿癥聯(lián)盟執(zhí)行主任克里斯汀·布朗（Christine Brown）如是評(píng)論。

數(shù)年以來(lái)，研究者一直在嘗試?yán)没蛑委焷?lái)治愈苯丙酮尿癥，希望通過(guò)將苯丙酮尿癥中的缺陷基因PAH的正常版本插入到病人自身的細(xì)胞中去達(dá)到正常工作的效果，但截至目前該方法仍停留在小鼠研究的范疇之內(nèi)。

對(duì)于Synlogic公司而言，苯丙酮尿癥的研究正是一個(gè)合適的契機(jī)，可以利用合成生物學(xué)創(chuàng)造出能夠獲得政府批準(zhǔn)的治療方法。

被Synlogic公司的研究人員選擇的大腸桿菌是一種已經(jīng)研究了一個(gè)多世紀(jì)的無(wú)害菌株?！敖^大多數(shù)正常人的腸道內(nèi)都有健康的大腸桿菌。”Synlogic公司的首席科學(xué)家保羅·米勒（Paul Miller）介紹說(shuō)。研究人員將新的基因插入到大腸桿菌的DNA內(nèi)，這樣一旦改造后的大腸桿菌抵達(dá)腸道，就可以像人體自身的細(xì)胞一樣分解苯丙氨酸。被插入的新基因中有一種基因編碼的分子泵，大腸桿菌用它來(lái)吸附周?chē)谋奖彼?；另一種新插入基因則編碼能夠降解解苯丙氨酸的生物酶，這樣大腸桿菌在降解完后直接將降解產(chǎn)物釋放出來(lái)，并隨著尿液排出體外。

Synlogic公司研究團(tuán)隊(duì)希望改造后的微生物只在合適的時(shí)間和人體內(nèi)正確的部位發(fā)揮分解苯丙氨酸的功能，因此他們?cè)诠こ谈脑鞎r(shí)對(duì)大腸桿菌進(jìn)行了設(shè)計(jì)，當(dāng)大腸桿菌探知到周?chē)懈吆垦鯕獯嬖跁r(shí)，就自動(dòng)關(guān)閉控制苯丙氨酸分解的基因表達(dá)，而當(dāng)大腸桿菌到達(dá)氧氣含量低的腸道，它們才會(huì)開(kāi)啟相關(guān)基因的表達(dá)。

為了對(duì)改造后大腸桿菌進(jìn)行檢測(cè)，研究者利用基因突變制造出患有苯丙酮尿癥的老鼠，當(dāng)小鼠攝入了一劑菌劑后，其血液中的苯丙氨酸含量相比未攝入菌劑的小鼠而言會(huì)下降38%。研究者還在健康的猴子身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)未攝入菌劑的猴子食用了高蛋白飲食，其血液中將會(huì)出現(xiàn)苯丙氨酸含量大幅上升的峰值，而腸道內(nèi)有改造后大腸桿菌的猴子的血液里將僅僅出現(xiàn)小幅度上升。在這之后，Synlogic公司招募了健康的人類(lèi)志愿者來(lái)進(jìn)行測(cè)試。其中一部分志愿者只服用一個(gè)單位劑量的菌劑，另一部分則在一周時(shí)間內(nèi)服用大量菌劑，在完全攝入菌劑后，志愿者再吞食富含蛋白質(zhì)的奶昔或者固體食物。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，Synlogic公司公布了該實(shí)驗(yàn)的陽(yáng)性結(jié)果，并表示該實(shí)驗(yàn)證明人體可以接納這些工程改造后的大腸桿菌。不僅如此，攝入的菌劑越多，志愿者最終排出的尿液中含有的苯丙氨酸降解產(chǎn)物就越多，這說(shuō)明攝入的大腸桿菌發(fā)揮了它們應(yīng)該發(fā)揮的作用。而接下來(lái)需要探究的就是這些改造后的大腸桿菌是否能夠降低苯丙酮尿癥患者體內(nèi)的苯丙氨酸含量。盡管柯林斯博士并未參與Synlogic公司的苯丙酮尿癥研究，他仍然認(rèn)為，“目前的研究進(jìn)度之快讓我震驚?！?/p>

在2018年7月，達(dá)尼諾博士及其團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》雜志子刊——《細(xì)胞系統(tǒng)》上發(fā)表了一篇文獻(xiàn)綜述，梳理了當(dāng)下研究者正設(shè)計(jì)合成微生物來(lái)研究治療方式的大量疾病，其中包括了發(fā)炎與感染。達(dá)尼諾博士和哈斯提博士目前還在合作研究另一課題：如何應(yīng)用合成生物學(xué)來(lái)治療癌癥。

研發(fā)治療癌癥藥物的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是：研發(fā)出來(lái)的藥物無(wú)法滲入到腫瘤內(nèi)部，而微生物組研究者發(fā)現(xiàn)：天然微生物常常能夠滲透腫瘤并且在其內(nèi)部生長(zhǎng)?，F(xiàn)在科學(xué)家正在試圖把微生物改造得能夠進(jìn)入腫瘤。一旦進(jìn)入腫瘤，科學(xué)家希望這些改造后的微生物可以釋放出吸引免疫細(xì)胞的分子，并通過(guò)這一方法消滅癌癥。

達(dá)尼諾博士最后說(shuō)道， “在我看來(lái)，人體內(nèi)只要有細(xì)菌存活的地方，就有可能通過(guò)基因工程讓細(xì)菌發(fā)揮其他作用。”

資料來(lái)源 The New York Times