该研究不仅实现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。新的技术的建立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。
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光遗传方法宿主体内控制细菌致病能力示意图。 研究团队供图
你能想象，一个成年人身上的细菌总数，居然有100万亿吗？
细菌数量之多、种类之繁，既是许多疾病的病原体，以接触、消化道、呼吸道、昆虫叮咬等传方式让人体感染疾病。同时，细菌也常被人们用于乳酪及酸奶和酒酿的制作、部分抗生素的制造、废水的处理等，与我们的生活息息相关。
对于人类疾病预防而言，了解细菌如何感染人体，进一步对细菌感染行为进行调控至关重要。6月2日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）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ACS Synthetic Biology。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。中国科学技术大学博士研究生承心怡、深圳先进院研究助理蒲璐、中国科学技术大学博士研究生付生伟为文章的共同第一作者，研究员金帆和助理研究员杨帅为共同通讯作者。
该研究不仅实现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。新的技术的建立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。
细菌是如何感染宿主的？
细菌的感染往往呈现急性和慢性两种模式。细菌的不同感染行为往往会对宿主体产生不同的影响。急性感染下，细菌会引起宿主急性的炎症反应，而慢性感染下，细菌往往会形成生物被膜，对抗生素和宿主的免疫系统具有更强的耐受性，往往不易根治。
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，用以探索调控细菌感染行为的新方式。
“铜绿假单胞菌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。对于免疫受损的病人、皮肤或黏膜受损的病人，如患有囊性纤维化、支气管扩张症、中性粒细胞减少症、艾滋病的病人以及烧伤、器官移植的病人来说，铜绿假单胞菌感染具有很高的发病率和致死率。因此，建立新的方法对其致病性进行研究不仅具有临床意义，还具有开创性的科学意义。”论文共同通讯作者杨帅表示。
有别于传统利用化学诱导物进行基因表达调控的细菌调控手段，研究团队利用光遗传学调控的方式，基于铜绿假单胞菌的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。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。”杨帅解释道。
利用构建的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的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，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，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的作用。”杨帅表示。
下一步，研究团队计划利用该技术，结合线虫感染实验，通过光遗传学方法建立定量关系模型和真实波动环境下的致病感染模型。通过建立更高分辨率的显微追踪照明系统，对线虫肠道特定部位的细菌进行诱导，研究不同位置的局部感染导致的致病性差异，最终探究新的感染机制和宿主相互作用，为治疗铜绿假单胞菌感染提供新的思路。
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acssynbio.1c00075