賴斯大學(xué)的合成生物學(xué)家通過(guò)即插即用系統(tǒng)入侵細(xì)菌感應(yīng)領(lǐng)域，該系統(tǒng)可用于混搭成千上萬(wàn)的感官輸入和基因輸出。該技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)診斷，致命病原體的研究，環(huán)境監(jiān)測(cè)等具有廣泛的意義。

賴斯生物工程師杰夫·塔博爾（Jeff Tabor）及其同事在一個(gè)長(zhǎng)達(dá)6年的項(xiàng)目中進(jìn)行了數(shù)千次實(shí)驗(yàn)，表明他們可以系統(tǒng)地對(duì)兩組分系統(tǒng)進(jìn)行布線，這是細(xì)菌用來(lái)感知周圍環(huán)境并聆聽鄰居的遺傳電路。他們的工作發(fā)表在本周發(fā)表于《自然化學(xué)生物學(xué)》上的一項(xiàng)研究中。

塔博爾的小組重新布線了已知細(xì)菌傳感器的輸出，并在遠(yuǎn)距離相關(guān)的細(xì)菌之間移動(dòng)了傳感器。最重要的是，他們表明他們可以識(shí)別未知傳感器的功能。

賴斯布朗工程學(xué)院生物工程副教授，該項(xiàng)目的首席科學(xué)家塔博爾說(shuō)：“基于基因組分析，我們知道細(xì)菌中至少有25,000個(gè)雙組分系統(tǒng)。” “但是，對(duì)于其中大約99％的人，我們不知道它們的感受或它們激活的基因是什么。”

2018年發(fā)現(xiàn)了兩株致命的，多藥耐藥細(xì)菌，該細(xì)菌使用未知的兩組分系統(tǒng)逃避大腸桿菌素，這是最后一種抗生素，這凸顯了一種新的工具可以解鎖兩組分系統(tǒng)的重要性。但塔博爾說(shuō)，該工具的可能用途不僅僅限于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

他說(shuō)：“這是自然界最大的生物傳感器寶庫(kù)�！� “基于我們所理解的某些由兩部分組成的系統(tǒng)的出色的特異性和靈敏性，人們普遍認(rèn)為細(xì)菌傳感器的性能將超過(guò)人類使用當(dāng)今最好的技術(shù)所能做出的任何事情�！�

塔博爾說(shuō)，這是因?yàn)榧?xì)菌傳感器已經(jīng)經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的發(fā)展和完善。

“細(xì)菌幾乎沒有眼睛，耳朵或鼻子那么復(fù)雜，但是它們?cè)诜浅２煌�的環(huán)境（例如葉子，腸子或土壤）之間傳播，它們的生存取決于它們感知并適應(yīng)這些變化的能力，“ 他說(shuō)。

塔博爾說(shuō)：“兩組分系統(tǒng)是它們的工作方式�！� “這些系統(tǒng)是他們用來(lái)“看到”光線，“聞”周圍的化學(xué)物質(zhì)并“聽到”社區(qū)最新消息的系統(tǒng)，這些消息以鄰居們廣播的生物化學(xué)推文的形式出現(xiàn)�！�

細(xì)菌是生命中最豐富的形式，幾乎在每個(gè)已測(cè)序的細(xì)菌基因組中都出現(xiàn)了兩組分系統(tǒng)。大多數(shù)物種有大約二十個(gè)傳感器，有些則有數(shù)百個(gè)。

有兩類系統(tǒng)的六大類，但它們都以相似的方式工作。它們具有傳感器激酶（SK）組件，可“監(jiān)聽”來(lái)自外界的信號(hào)，并在“聽到”信號(hào)時(shí)啟動(dòng)稱為磷酸化的過(guò)程。激活第二個(gè)組件，即作用于特定基因的響應(yīng)調(diào)節(jié)器（RR），將其像開關(guān)一樣打開或關(guān)閉，或者像撥盤一樣打開或關(guān)閉。

雖然在基因組掃描中很容易發(fā)現(xiàn)這些成分的遺傳密碼，但雙重神秘性使生物學(xué)家?guī)缀鯚o(wú)法確定兩成分系統(tǒng)的功能。

塔博爾說(shuō)：“如果你不知道它所感知的信號(hào)，也不知道它所作用的基因，那真的很難�！� “我們知道兩種成分系統(tǒng)的輸入或輸出約占1％，而輸入和輸出都知道更少�！�

科學(xué)家確實(shí)知道，SK分子通常是跨膜蛋白，具有感應(yīng)域（一種生化天線），可以穿透細(xì)菌的囊狀外膜。每個(gè)傳感器域均設(shè)計(jì)為鎖存在特定的信號(hào)分子或配體上。每個(gè)SK都有其自己的靶配體，與配體的結(jié)合是啟動(dòng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的開啟或關(guān)閉基因的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

重要的是，盡管每個(gè)兩組分系統(tǒng)都針對(duì)特定配體進(jìn)行了優(yōu)化，但它們的SK和RR組分的工作方式相似�？紤]到這一點(diǎn)，Tabor和研究合作的主要作者塞巴斯蒂安·施密德爾（Sebastian Schmidl）在2013年底決定嘗試交換DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，這是應(yīng)答調(diào)節(jié)劑中識(shí)別DNA并激活該途徑的靶基因的部分。

塔博爾說(shuō)：“如果你看一下以前的結(jié)構(gòu)研究，DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域通�？雌饋�(lái)就像是從磷酸化結(jié)構(gòu)域搭便車的貨物�！� “因此，我們認(rèn)為DNA結(jié)合域可能像可互換的模塊或Lego塊一樣起作用�！�

為了驗(yàn)證該想法，Schmidl，當(dāng)時(shí)是Tabor小組的DFG博士后研究員，重新接線了Tabor團(tuán)隊(duì)先前開發(fā)的兩個(gè)光傳感器的組件，其中一個(gè)對(duì)紅光響應(yīng)，另一個(gè)對(duì)綠色響應(yīng)。Schmidl在磷酸化和DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域之間的39個(gè)不同位置將紅光傳感器的輸入重新布線到綠光傳感器的輸出。為了查看這39個(gè)接頭中的任何一個(gè)是否起作用，他用紅光刺激了它們并尋找綠光響應(yīng)。

塔博爾說(shuō)：“他們中有十個(gè)人在第一次嘗試時(shí)就工作過(guò)，并且有一個(gè)最佳的，特定的位置，拼接處確實(shí)工作良好�！�

實(shí)際上，該測(cè)試效果很好，他和Schmidl認(rèn)為他們可能只是很幸運(yùn)，并且將兩條異常匹配的途徑拼接在一起。因此，他們重復(fù)了測(cè)試，首先將四個(gè)其他DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域連接到同一響應(yīng)調(diào)節(jié)器，然后將五個(gè)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域連接到同一傳感器路徑。這些重新布線中的大多數(shù)也都起作用，這表明該方法比以前發(fā)布的任何方法都更加模塊化。

Schmidl現(xiàn)在是德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)系統(tǒng)Bryan校區(qū)RELLIS校區(qū)的生物學(xué)助理教授，于2016年離開賴斯。合著者Felix Ekness，博士。萊斯系統(tǒng)，合成與物理生物學(xué)（SSPB）計(jì)劃的一名學(xué)生，然后開始了該項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了數(shù)十種新的嵌合體，并進(jìn)行了數(shù)百次實(shí)驗(yàn)，證明該方法可用于混合和匹配不同細(xì)菌種類之間的DNA結(jié)合域以及不同系列的兩組件系統(tǒng)之間。

塔博爾知道，一流的期刊將需要演示如何使用該技術(shù)，并且發(fā)現(xiàn)全新的兩組分系統(tǒng)的功能是最終的考驗(yàn)。為此，博士后研究員Kristina Daeffler和SSPB博士。凱瑟琳·布林克（Kathryn Brink）的學(xué)生將Oneidensis細(xì)菌中的七個(gè)不同的未知兩組分系統(tǒng)移植到了大腸桿菌中。他們?yōu)槊總�(gè)未知的傳感器設(shè)計(jì)了一種新的大腸桿菌菌株，并使用DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域交換將其所有活性與綠色熒光蛋白的表達(dá)聯(lián)系起來(lái)。

盡管他們不知道這七個(gè)輸入中的任何一個(gè)，但他們確實(shí)知道在紐約州北部的一個(gè)湖中發(fā)現(xiàn)了S. oneidensis。在此基礎(chǔ)上，他們選擇了117種不同的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)使oneidensis受益。由于每種化學(xué)品都必須與每個(gè)突變體和對(duì)照組進(jìn)行一對(duì)一的測(cè)試，因此Brink必須執(zhí)行和復(fù)制將近1,000個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)她發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)傳感器正在檢測(cè)pH值變化時(shí)，付出了努力。

對(duì)新發(fā)現(xiàn)的傳感器進(jìn)行基因組搜索強(qiáng)調(diào)了擁有一種解鎖兩組分系統(tǒng)的工具的重要性：pH傳感器出現(xiàn)在多種細(xì)菌中，包括引起鼠疫的病原體。

塔博爾說(shuō)：“這突顯了解鎖兩組分系統(tǒng)的機(jī)制將如何幫助我們更好地理解并有望更好地治療疾病�！�

塔博爾下一步將把技術(shù)帶到哪里？

他正在用它來(lái)挖掘人類腸道細(xì)菌的基因組，以尋找新型疾病傳感器，包括炎癥性腸病和癌癥，目的是設(shè)計(jì)出可以診斷和治療這些疾病的新一代智能益生菌。