基因工程微生物組：改變細菌以促進健康

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  量子運行遠見
• 2023 年 3 月 8 日

微生物組由特定環境中的微生物組成。 對微生物組進行基因改造可以幫助抑製或表現出某些特徵並提供治療，在農業、健康和福祉領域找到各種實際應用。

基因工程微生物組背景

腸道微生物組是人類腸道中的微生物群落，在健康中發揮著重要作用。 最近的研究表明，腸道微生物群可以影響自身免疫性疾病、糖尿病、癌症、心血管疾病、帕金森病、阿爾茨海默病、多發性硬化症，甚至抑鬱症。 然而，這個脆弱的生態系統的平衡可能會受到飲食和抗生素等多種因素的干擾，使其難以恢復。 

一些研究人員正在研究對微生物組進行基因改造，以增加其生存機會和適應性。 例如，德克薩斯農工大學的科學家利用細菌、大腸桿菌和蛔蟲的共生關係，在2021 年對蠕蟲的微生物組進行了基因改造。他們注意到，當熒光抑制基因被插入大腸桿菌的質粒中時，吃掉它的蠕蟲將停止發出熒光。 同年，加州大學舊金山分校的科學家成功地用 CRISPR 基因編輯系統加載了捕獵細菌的病毒，以刪除大腸桿菌內的染色體。

早在 2018 年，哈佛醫學院的研究人員就致力於讓細菌進行交流，以協調和控制它們。 他們引入了信號基因和響應基因電路來釋放和檢測兩種細菌的​​複合群體。 當給小鼠餵食這些細菌時，所有小鼠的腸道都顯示出信號傳輸的跡象，證實了細菌的成功通訊。 我們的目標仍然是利用人類腸道中的工程細菌創建一個合成微生物組，這些細菌在發揮其功能的同時能夠有效地相互溝通。 

破壞性影響 

探索使用基因編輯技術來操縱腸道微生物組的潛力可以解決導致各種健康問題的不平衡問題。 例如，更多的研究可以發現提供治療方法來糾正複雜的人類腸道內的細菌失衡。 通過對已知有益於腸道健康的細菌進行基因改造，科學家們可以為各種腸道相關疾病創造新的治療方法，包括炎症性腸病、腸易激綜合症，甚至肥胖症。 它還為因荷爾蒙失衡而導致的糖尿病提供了新的治療方法。 

細菌更容易進行基因操縱的原因之一是它們的 DNA 組成。 這些微小的生物體除了稱為染色體的主要 DNA 元素之外，還具有稱為質粒的 DNA 片段。 質粒可以自我複制，並且比染色體含有更少的基因，這使得它們更容易用遺傳工具進行改變。 具體來說，可以將其他生物體的 DNA 片段放入細菌質粒中。

當質粒複製自身時，它們也會復制添加的基因，稱為轉基因。 例如，如果將用於製造胰島素的人類基因添加到質粒中，當細菌複製該質粒時，它也會創建更多的胰島素基因副本。 當這些基因被使用時，它會產生更多的胰島素。 然而，科學家們一致認為，由於微生物組的高度複雜性，這種可能性仍然很遙遠。 儘管如此，目前的研究在害蟲防治、促進植物生長和診斷獸醫疾病方面也有多種應用。 

基因工程微生物組的影響

在多種環境中成功進行微生物組基因工程的更廣泛影響可能包括：

• 增加對 CRISPR 等基因編輯工具的研究。
• 通過創造更適合特定任務的新細菌菌株，為生產生物燃料、食品和其他產品開闢新的可能性。
• 減少不加區別地針對細菌的抗生素的使用。 
• 人們對個性化醫療和診斷的興趣增加，其中治療是根據一個人的腸道微生物群定制的。
• 細菌增殖的潛在風險可能會增加其他疾病的發生。

需要考慮的問題

• 鑑於人類腸道微生物組的複雜性，您認為其完整的基因工程很快就會成為可能嗎？
• 您預計此類流程的廣泛應用的成本有多大？