休斯敦——（2022 年 12 月 12 日）——莱斯大学的合成生物学家开发了一种新方法来研究沙门氏菌、大肠杆菌和其他病原体每年用来使数百万人患病的感觉系统。

Kathryn Brink 是莱斯大学 2021 年的博士毕业生。系统、合成和物理生物学专业。（杰夫·菲特洛/莱斯大学摄）

在致病细菌中，传感器PhoPQ打开感染所需的一组基因。水稻研究人员将 PhoPQ 重新连接到一个报告基因，该基因每次受到刺激时都会产生荧光蛋白。然后，研究人员将他们的工程微生物暴露于数千种称为肽的小蛋白质中，每当肽触发 PhoPQ 传感器时，微生物就会发出明显的荧光。

在Nature Chemical Biology发表的一篇论文中，Rice 的Jeff Tabor、主要合著者Kathryn Brink '21 及其同事描述了他们的技术，并展示了如何将其与一种称为肽展示的方法相结合，以快速扫描大型肽库并识别那些激活细菌传感器。

“这是研究细菌中肽-受体相互作用的第一种高通量方法。”Tabor 说。

肽是一类重要的细菌感受器激活剂。细菌可以像化学推文一样传播肽，以警告危险或组织集体行动。致病菌也已经进化到可以检测威胁性肽，包括人类抗菌肽(AMP)。

莱斯大学研究生麦克斯韦亨特拿着一盘发光的大肠杆菌。水稻合成生物学家将荧光报告基因添加到细菌中，并将基因连接到致病菌用来感染人类的​​传感器。这种修改使研究人员能够快速筛选大型肽库并确定哪些肽触发了传感器。（摄影：Gustavo Raskosky/莱斯大学）

“AMP 是我们的身体产生的小蛋白质，通过杀死细菌来对抗感染。”Tabor 说。“它们是由免疫系统和许多组织制造的。它们还可以通过充当激活或抑制免疫活动的信号来发挥“双重作用”，例如杀死细菌的炎症。”

Brink、Tabor、Rice 研究生 Maxwell Hunt 和他们的同事使用质粒改造大肠杆菌，使其在外表面展示 AMP。

“这种方法的好处是，我们可以通过构建数千个质粒，用数千种不同的肽轻松‘治疗’大肠杆菌。”Tabor 说。“与化学肽合成相比，这既便宜又容易。”

先前的研究表明，PhoPQ 可以感知一种人类 AMP 以及几种在炎症中起作用的人类信号肽。

“肽的大规模化学合成非常昂贵，因此研究激活 PhoPQ 能力的肽数量的先前记录是 9。”Tabor 说。“通过对肽进行基因编码，我们能够在一次实验中筛选出 3,000 多个肽。”

他说，该实验产生了“海量数据，其中隐藏着关于 PhoPQ 感知肽的一般特性的信息。”

莱斯大学的合成生物学家创建了一个系统，其中细菌外表面（顶部）上的肽（黄色）与传感器（紫色/粉红色）结合，以激活细菌内部荧光蛋白（绿色）的表达（底部）。（图片由 Maxwell Hunt/莱斯大学提供）

Brink 和 Tabor 使用机器学习（人工智能的一种形式）来分析数据，找到隐藏的模式并发现“激活 PhoPQ 所需的肽特征的新‘规则’，”他说。

“人体产生大约 140 AMP，”Tabor 说。“在这些人中，只有两个人接受过激活 PhoPQ 的能力测试。我们测试了其中的大部分，并发现了 13 种新的人类 AMP，它们可以激活这种细菌传感器。它们在身体的不同组织中产生，包括小肠、泌尿道和免疫细胞。这表明这些细菌正在抵御更多我们免疫系统的攻击，并且可能在我们身体的更多地方进行防御，这比以前认为的要多。”

PhoPQ 是细菌病原体中高度保守的遗传途径。为了扩大他们的发现并探索 PhoPQ 传感如何在其他物种中进化，Brink 和 Tabor 还描述了 PhoPQ 对大肠杆菌致病性和非致病性菌株以及另一种称为肺炎克雷伯菌的病原体的反应。

Jeffrey Tabor（照片由 Jeffrey Tabor 提供）

“我们发现了惊人的证据，表明致病性大肠杆菌和肺炎克雷伯菌中的 PhoPQ 对在它们感染的组织中富含的 AMP 反应更强烈。”Tabor 说。例如，来自致病性大肠杆菌的 PhoPQ 对膀胱中的 AMP 反应更强烈，而膀胱中的 AMP 经常引起感染。

“这一结果表明可能存在一场军备竞赛，人类进化出新的 AMP 以新方式攻击细菌，而细菌则进化为专门防御这些 AMP。”Tabor 说。

他说，新的肽展示方法并不适用于所有的肽。

“有些具有无法使用我们的系统进行的高级化学修饰。”Tabor 说。“但我们的方法与许多肽兼容，包括某些 AMP 中存在的具有二硫键的肽。我们认为我们的方法可用于发现激活其他细菌受体的肽，这些受体参与许多细菌的毒力、细菌间战争、生物膜形成、感染和其他过程。”

Tabor 是生物工程和生物科学教授。布林克是斯坦福大学医学院的博士后研究员，也是莱斯大学系统、合成和物理生物学博士的校友。

其他研究的共同作者包括莱斯大学的 Maxwell Hunt、Andrew Mu、Kevin Lorch 和 Brett Pogostin、麻省理工学院的 Ken Groszman 以及俄亥俄州立大学的 Ky Hoang 和 John Gunn。

该研究得到了韦尔奇基金会 (C-1856)、国家科学基金会 (1553317、1842494)、美国国立卫生研究院 (R01AI155586-01A1)、莱斯大学和全国儿童医院的支持。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。