科学家妙手改造， 细菌或成治病良药

编译 舒愉棉

通过对DNA进行改造，研究人员正致力于创造可以用来治愈罕见遗传疾病的摄入式微生物，这一工作一旦成功，将会在合成生物学发展历程上具有里程碑式的重要意义。

加利福尼亚州一所医院内，一名新生儿正在进行苯丙酮尿症（PKU）检查。苯丙酮尿症是一种罕见的先天代谢性疾病，是由于染色体基因突变导致肝脏中苯丙氨酸羟化酶(PAH)缺陷从而引起苯丙氨酸(PA)代谢障碍所致

2018年暑假，在一项研究实验中，一组志愿者喝下了一管掺有数百万细菌的白色、薄荷状混合物。这些细菌经过工程改造，能够分解血液里天然产生的有毒物质。我们中的绝大多数人的身体可以不依靠任何外力完成这一工作，而对于那些无法做到这一点的人而言，这些经过改良的微生物未来将可能成为解决这一问题的活体药物。

这一实验在合成生物学领域具有重要的里程碑意义。20年前，研究人员开始捣鼓活体生物，就像工程师们捣鼓电器一样。基因并不单独工作，而是与众多不同基因一起合作来起到激活或者抑制其他基因的效果，因此研究人员利用这一点，发展了合成生物学。合成生物学改良这些互相通讯的小分子，创造出可以对新的信号做出反应或者是对特定信号做出新反应的细胞。直到今天，他们的研究成果在工业生产上的影响是最为强大的。经过生物工程改良过的细菌被用来作为生产“工厂”，合成诸如抗体或衣物原料等复杂分子。

不过近年来，大量研究小组已经将他们的研究重点向人体体内转移。他们希望能够利用合成生物学将微生物改良为可以进入我们人体并且从内治愈疾病的良药。开篇提到的实验是由美国麻省理工学院旗下企业Synlogic公司开展进行的，而志愿者喝下的微生物菌剂极有可能成为通过美国食品药品管理局（FDA）审批的首例基于合成生物学的研发出的治疗药物。

菌剂里的微生物是专为治疗一种名为苯丙酮尿症（PKU）的罕见遗传病而设计的。该病患者自身无法降解膳食蛋白质在人体内消化分解产生的一种氨基酸副产物——苯丙氨酸，因此必须避免摄入诸如肉类和奶酪等食物。在血液中的无法分解的苯丙氨酸随着量的积累，会对大脑中的神经元造成损害，并引发生长发育迟缓、智力障碍和神经官能失调等症状。

苯丙酮尿症的传统治疗方法是严格限制膳食内蛋白质摄入并通过辅食对营养元素加以补充。然而在老鼠和猴子的实验中，研究者发现Synlogic公司合成的细菌有可能成为治疗苯丙酮尿症的新曙光。近日，该公司发布了临床试验中用该菌在健康人类实验所获得的阳性结果，接下来研究人员将在患有苯丙酮尿症的病人上开展实验，并期待能在2019年获得并报道初步结果。

美国哥伦比亚大学合成生物学家塔尔·达尼诺（Tal Danino）评论道，尽管有大量研究者都在研究这一课题，但进展最快的属Synlogic公司，“他们主导了当下该研究的前进方向”。

“在我看来，人体内只要有细菌存活的地方，就有可能通过工程改造让细菌发挥其他作用。”

——塔尔·达尼诺

Synlogic公司共同创始人、麻省理工学院合成生物学家詹姆斯·柯林斯（James J. Collins）在2000年发表了合成生物学原理的首份论证，他与其研究团队通过对大肠杆菌进行改造，使其具有在遇到特定化学物质时可以让某基因表达或停止表达的能力，“就像是给基因安装了一个开关”，柯林斯博士在一次采访中说道。

Synlogic公司最新改造的细菌的透射电镜照片

一开始，科学家预想的是：改造后的细菌可以用作环境监测器，检测空气传播的生物武器并释放化学信号来作为警示。不过还没等到实现，微生物组学就应运产生了。在21世纪的前10年，微生物学家开始对人体内菌群进行研究与记录，这些菌群被称为微生物组，它们在健康人体内普遍存在，数量庞大，种类繁多。科学家发现，微生物组在人体内持续产生各种生物化学分子，而正是其中的部分产物保护我们不受疾病侵害。

合成生物学家很快就开始思考，是否可以在微生物组内加入经过改造的细菌来发挥其他作用，比如作为体内感知疾病信号的监测器，或者以直肠为根据地制造身体所需的药物。“不要低估微生物组的影响力”，曾师从柯林斯博士、现在加州大学圣地亚哥分校拥有独立实验室的杰夫·哈斯提（Jeff Hasty）介绍道，“简而言之，微生物组的研究改变了一切。”

柯林斯博士和麻省理工学院的另一位合成生物学家卢冠达（Timothy K.Lu）在2013年共同创立了Synlogic公司。该公司在成立伊始就开始寻找可以研究的疾病，其中一个就是苯丙酮尿症，而全美患有该疾病的人高达16500人。

尽管现在已经有药物可以降低血液内的苯丙氨酸含量，但药物仅仅对一小部分病人有效，同时还会伴随有各种副作用。“当下能够治疗该疾病的所有方法都不尽如人意。”美国国家苯丙酮尿症联盟执行主任克里斯汀·布朗（Christine Brown）如是评论。

数年以来，研究者一直在尝试利用基因治疗来治愈苯丙酮尿症，希望通过将苯丙酮尿症中的缺陷基因PAH的正常版本插入到病人自身的细胞中去达到正常工作的效果，但截至目前该方法仍停留在小鼠研究的范畴之内。

对于Synlogic公司而言，苯丙酮尿症的研究正是一个合适的契机，可以利用合成生物学创造出能够获得政府批准的治疗方法。

被Synlogic公司的研究人员选择的大肠杆菌是一种已经研究了一个多世纪的无害菌株。“绝大多数正常人的肠道内都有健康的大肠杆菌。”Synlogic公司的首席科学家保罗·米勒（Paul Miller）介绍说。研究人员将新的基因插入到大肠杆菌的DNA内，这样一旦改造后的大肠杆菌抵达肠道，就可以像人体自身的细胞一样分解苯丙氨酸。被插入的新基因中有一种基因编码的分子泵，大肠杆菌用它来吸附周围的苯丙氨酸；另一种新插入基因则编码能够降解解苯丙氨酸的生物酶，这样大肠杆菌在降解完后直接将降解产物释放出来，并随着尿液排出体外。

Synlogic公司研究团队希望改造后的微生物只在合适的时间和人体内正确的部位发挥分解苯丙氨酸的功能，因此他们在工程改造时对大肠杆菌进行了设计，当大肠杆菌探知到周围有高含量氧气存在时，就自动关闭控制苯丙氨酸分解的基因表达，而当大肠杆菌到达氧气含量低的肠道，它们才会开启相关基因的表达。

为了对改造后大肠杆菌进行检测，研究者利用基因突变制造出患有苯丙酮尿症的老鼠，当小鼠摄入了一剂菌剂后，其血液中的苯丙氨酸含量相比未摄入菌剂的小鼠而言会下降38%。研究者还在健康的猴子身上进行实验。当未摄入菌剂的猴子食用了高蛋白饮食，其血液中将会出现苯丙氨酸含量大幅上升的峰值，而肠道内有改造后大肠杆菌的猴子的血液里将仅仅出现小幅度上升。在这之后，Synlogic公司招募了健康的人类志愿者来进行测试。其中一部分志愿者只服用一个单位剂量的菌剂，另一部分则在一周时间内服用大量菌剂，在完全摄入菌剂后，志愿者再吞食富含蛋白质的奶昔或者固体食物。

实验结束后，Synlogic公司公布了该实验的阳性结果，并表示该实验证明人体可以接纳这些工程改造后的大肠杆菌。不仅如此，摄入的菌剂越多，志愿者最终排出的尿液中含有的苯丙氨酸降解产物就越多，这说明摄入的大肠杆菌发挥了它们应该发挥的作用。而接下来需要探究的就是这些改造后的大肠杆菌是否能够降低苯丙酮尿症患者体内的苯丙氨酸含量。尽管柯林斯博士并未参与Synlogic公司的苯丙酮尿症研究，他仍然认为，“目前的研究进度之快让我震惊。”

在2018年7月，达尼诺博士及其团队在《细胞》杂志子刊——《细胞系统》上发表了一篇文献综述，梳理了当下研究者正设计合成微生物来研究治疗方式的大量疾病，其中包括了发炎与感染。达尼诺博士和哈斯提博士目前还在合作研究另一课题：如何应用合成生物学来治疗癌症。

研发治疗癌症药物的一个巨大挑战是：研发出来的药物无法渗入到肿瘤内部，而微生物组研究者发现：天然微生物常常能够渗透肿瘤并且在其内部生长。现在科学家正在试图把微生物改造得能够进入肿瘤。一旦进入肿瘤，科学家希望这些改造后的微生物可以释放出吸引免疫细胞的分子，并通过这一方法消灭癌症。

达尼诺博士最后说道， “在我看来，人体内只要有细菌存活的地方，就有可能通过基因工程让细菌发挥其他作用。”

资料来源 The New York Times