研究人员开发新型光敏蛋白实现用光学方法控制细菌感染

2021-06-23 09:57:33 来源：中国科学报

近日，中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所金帆团队与黄术强团队关于细菌感染的研究成果，以封面文章的形式发表于《美国化学会—合成生物学》。研究团队开发了基于铜绿假单胞菌的新型光敏蛋白YGS24，实现了用光学方法控制细菌对宿主的感染行为。

该研究实现了对宿主体内细菌致病能力的定量和时间控制，从而可以揭示其局部和系统对宿主健康和死亡的影响，有望探索和发现致病菌新的致病机理，进而加速相关创新疗法的开发。

对于人类疾病预防而言，了解细菌如何感染人体，进而对细菌感染行为进行调控至关重要。细菌的感染通常呈现急性和慢性两种模式。而细菌不同的感染行为往往会对宿主产生不同影响——急性感染下，细菌会引起宿主急性炎症反应；慢性感染下，细菌往往会形成生物被膜，对抗生素和宿主免疫系统具有更强的耐受性，不易被根治。

该研究中，研究团队选取了常见的机会性致病菌——铜绿假单胞菌作为研究模型。“这是一种对人体和动植物均有潜在致病性的革兰氏阴性菌，它的临床分离率较高。对于免疫受损以及皮肤或黏膜受损的病人来说，铜绿假单胞菌感染具有很高的发病率和致死率。”论文共同通讯作者杨帅表示。

有别于利用化学诱导物进行基因表达调控的传统手段，研究团队利用光遗传学调控的方式，基于铜绿假单胞菌GacS蛋白和GacA蛋白组成的双组分系统，开发了新型光敏蛋白YGS24。

“GacS-GacA双组分系统在铜绿假单胞菌急性和慢性感染模式的切换上有着关键性的调控作用。GacS蛋白通过调节GacA蛋白的磷酸化程度对下游致病相关基因进行调控。当GacA蛋白的磷酸化水平高时，细菌倾向于形成生物被膜，慢性感染相关基因的表达被促进；而当GacA蛋白的磷酸化水平低时，细菌更倾向于表达与急性感染模式相关的基因。”杨帅解释道，“我们以YGS24蛋白取代细菌中原有的GacS蛋白，构建了YGS24-GacA光控系统，对铜绿假单胞菌的感染行为进行精确的光调控。”

利用YGS24-GacA光控系统，研究团队在 “致命麻痹”和“缓慢杀戮”的秀丽隐杆线虫—铜绿假单胞菌致病模型中，成功实现了细菌对线虫致病能力的蓝光调控。此外，通过该光控系统，利用显微镜技术和微流控技术，研究团队成功实现了对秀丽隐杆线虫肠腔内铜绿假单胞菌致病调控回路的原位光诱导。

“YGS24光敏蛋白的研发扩充了光遗传学的工具库，同时它也是在铜绿假单胞菌中开发的第一个光敏蛋白。它将推动光遗传学在微生物研究领域的发展，还将在细菌感染行为相关的基础研究中发挥独特作用。”杨帅表示。

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