基因工程微生物组：改变细菌以促进健康

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  量子运行远见
• 2023 年 3 月 8 日

微生物组由特定环境中的微生物组成。 对微生物组进行基因改造可以帮助抑制或展示某些特征并提供治疗方法，从而在农业、健康和福祉领域找到各种实际应用。

基因工程微生物组背景

肠道微生物组是人体肠道中的微生物群落，对健康起着重要作用。 最近的研究表明，肠道微生物群会影响自身免疫性疾病、糖尿病、癌症、心血管疾病、帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、多发性硬化症，甚至抑郁症。 然而，这个脆弱的生态系统的平衡可能会受到饮食和抗生素等多种因素的干扰，难以恢复。 

几位研究人员正在研究基因改造微生物组，以增加它们的生存机会和适应性。 例如，德克萨斯 A&M 大学的科学家利用细菌、大肠杆菌和蛔虫的共生关系，在 2021 年对蠕虫的微生物组进行了基因改造。他们注意到，当荧光抑制基因插入大肠杆菌的质粒时，吃掉它的蠕虫会停止发出荧光。 同年，加州大学旧金山分校的科学家们成功地用 CRISPR 基因编辑系统装载细菌狩猎病毒，以删除大肠杆菌内的染色体。

早在 2018 年，哈佛医学院的研究人员就致力于让细菌进行交流，以和谐地协调和控制它们。 他们引入信号器和响应器遗传回路，以将复合群体释放和检测到两种类型的细菌中。 当老鼠被喂食这些细菌时，所有老鼠的内脏都显示出信号传输的迹象，证实了细菌的成功交流。 目标仍然是在人体肠道中创造一种具有工程细菌的合成微生物组，这些微生物组在执行功能时能够有效地相互交流。 

破坏性影响 

探索使用基因编辑技术操纵肠道微生物群的潜力可以解决导致各种健康问题的失衡问题。 例如，更多的研究可以发现提供疗法来纠正复杂人体肠道内的细菌失衡。 通过对已知有益于肠道健康的细菌进行基因工程改造，科学家们可以为各种肠道相关疾病创造新的治疗方法，包括炎症性肠病、肠易激综合症，甚至肥胖症。 由于荷尔蒙失调，它还允许采用更新的糖尿病治疗方法。 

细菌更容易进行基因操作的原因之一是它们的 DNA 组成。 除了称为染色体的 DNA 主要元素外，这些微小的生物体还具有称为质粒的 DNA 片段。 质粒可以自我复制，并且比染色体拥有更少的基因，这使得它们更容易被遗传工具改变。 具体来说，可以将来自其他生物体的 DNA 片段放入细菌质粒中。

当质粒复制自身时，它们也会复制添加的基因，称为转基因。 例如，如果将用于制造胰岛素的人类基因添加到质粒中，当细菌复制质粒时，它也会产生更多的胰岛素基因拷贝。 当使用这些基因时，它会产生更多的胰岛素。 然而，科学家们一致认为，由于微生物组的高度复杂性，这种可能性还有很长的路要走。 尽管如此，目前的研究在害虫防治、促进植物生长和诊断兽医疾病方面也有多种应用。 

基因工程微生物组的意义

在多种环境中成功进行微生物组基因工程的更广泛影响可能包括：

• 增加对基因编辑工具的研究，例如 CRISPR。
• 通过创造更适合特定任务的新细菌菌株，为生产生物燃料、食品和其他产品开辟新的可能性。
• 减少不加区别地针对细菌的抗生素的使用。 
• 对个性化医疗和诊断的兴趣增加，其中治疗是根据一个人的肠道微生物组定制的。
• 细菌增殖的潜在风险会增加其他疾病的发生。

需要考虑的问题

• 鉴于人类肠道微生物组的复杂性，您认为其完整的基因工程很快就能实现吗？
• 您预测此类流程的广泛应用成本如何？