深圳先進院等實現了用光學方法控制細菌的運動行為
近期，中國科學院深圳先進技術研究院合成所金帆團隊和華中科技大學劉智團隊合作設計了基于銅綠假單胞菌為載體的工程菌株，實現了用光學方法控制細菌的運動行為及其在宿主上的感染力，相關研究成果以Optogenetic Modification of Pseudomonas aeruginosa Enables Controllable Twitching Motility and Host Infection為題發表于國際學術期刊ACS Synthetic Biology。深圳先進院的博士后夏愛國為文章的第一作者，助理研究員倪磊、研究員金帆以及華中科技大學的劉智教授為共同通訊作者。
環磷酸腺苷(cAMP)是銅綠假單胞菌內部重要的二級信使分子，在調節細菌碳源代謝、四型菌毛的組裝合成以及細菌毒力等方面發揮關鍵作用。cAMP在調節細菌某一生理功能時，通常會對影響這一生理功能的多個組件蛋白的表達量同時調節，從而保證這一生理狀態的轉變。例如，cAMP-Vfr通過對四型菌毛結構蛋白PilA、馬達蛋白PilT、PilB以及轉錄調節蛋白PilR等在表達水平上的共同控制而實現對細菌蹭行運動的調節，cAMP-Vfr也通過對細菌內三型分泌系統調節因子ExsA、外毒素蛋白ToxA等表達量的共同控制來調節細菌的毒力。諸如以上蹭行運動、細菌毒力等細菌生理功能的轉變，通常不容易通過對單一或少量基因表達量的控制來完成。
基于以上認識，金帆課題組在銅綠假單胞菌底盤上引入了光敏性的cAMP合成酶，經過一系列改造，構建得到一種工程菌株（命名為pactm）。該工程菌株可以響應藍光的照射而可逆地改變自身蹭行運動的活性以及對宿主的感染能力。在藍光照射下，pactm的cAMP應答啟動子表達量增加了15倍，蹭行運動活性增加了8倍。裸鼠皮下感染模型顯示，藍光照射使pactm感染引起的小鼠皮膚損傷面積增加了14倍，因此這一工作為可控感染實驗模型的構建提供了一個解決方法。此外，作者還通過宏觀的光照模式設計，成功實現了對細菌群體擴張方向的引導，為研究微生物之間的相互作用提供了便利。
該研究得到了科技部重大研發計劃、國家自然科學基金和深圳合成生物學創新研究院等項目支持。
圖一：工程菌株pactm的設計原理和應用圖示
圖二：通過光照控制細菌對小鼠的感染力
