深层次揭秘生命之谜:合成生物学与肠道微生态

2024-02-05 11:46:37, Alma 徕卡显微系统(上海)贸易有限公司


随着生物技术的飞速发展,继“DNA双螺旋结构的发现”和“人类基因组计划”之后的第三次生物技术革命合成生物学正以工程化手段设计合成基因组,为生命科学领域带来前所未有的变革。人体微生态系统包括口腔、皮肤、泌尿和胃肠道,其中以肠道微生态系统最为主要和复杂。而肠道微生物基因组,被誉为人体的第二基因组,其与合成生物学的交融为我们揭示了生命之谜的更深层次。合成生物学在肠道微生态调控中的应用具有广阔的前景和巨大的潜力,有望为人类健康做出更大的贡献。

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益生菌设计与构建的革新

在生物学的前沿,合成生物学与肠道益生菌研究的交叉融合正在迸发出无数的创新火花。合成生物学不仅为益生菌的设计和构建提供了强有力的工具,更实现了一种定制功能工程化的方法。众所周知,合成生物学技术的应用离不开工具的开发。大肠杆菌Nissle 1917(EcN)即是一种益生菌,也是一种有发展潜力的合成生物学应用的底盘细菌,研究人员通过各种方式系统地扩展了益生菌大肠杆菌EcN的基因工程工具箱,充分利用了EcN作为常用的益生菌底盘[1]。

优化代谢功能与新治疗方法

人体胃肠道内居住着数万亿微生物,包括细菌、真菌、古菌、原生动物和病毒,其中整个集群就是人类肠道微生物群[2]。而肠道微生物在代谢过程中产生的广泛代谢产物对人体健康有着深远的影响,对人类免疫、代谢、发育和行为等方面的功能均有影响[3]。比如越来越多的共生细菌被用作基因工程的载体,已被应用于创造新的治疗方法[4]。

肠道微生态失衡调节

肠道正常菌群及其所生活的环境共同构成肠道微生态,肠道菌群的稳定性如果失去平衡大概率会发生各种肠内外疾病,因此维持肠道微生态平衡对机体是否能够抵抗由肠道病原菌引起的感染至关重要。

益生菌是肠道健康的代名词,乳酸菌作为其中的佼佼者,成为肠道益生菌的代表。乳酸菌是肠道常在菌,可改变肠道内环境、抑制有害菌繁殖以及调整维持胃肠道菌群的平衡,从而保证宿主正常的生理状态。随着对肠道微生物与人体健康关系的深入研究,合成生物学在调节肠道微生态失衡方面的应用展现出对代谢性疾病、消化系统疾病以及神经退行性疾病的治疗潜力[5]。

机遇与挑战并存

尽管合成生物学在肠道微生态调控中的应用展现出广阔的前景和巨大的潜力,但仍面临着诸多挑战,如:安全性与伦理问题,跨学科合作的需求,以及技术的成熟度等。相信随着技术的进步和研究的深入,合成生物学将在维护人类健康方面发挥出越来越重要的作用,提供更多新的治疗方法和策略。

在丹纳赫,我们汇集科学、技术和运营的能力,让未来科技对今日生活的影响得以加速实现。丹纳赫生命科学可提供肠道微生态研究的丰富解决方案,助力研究者加速发现、突破创新,实现人类更健康的生活。

THUNDER高分辨率组织荧光成像系统探索微生物肠道免疫机制

显微观察在感染生物学中扮演着重要角色,其有助于了解受体结合、基因组释放、复制、组装和病毒出芽的基本原理及免疫应答。丹纳赫生命科学旗下徕卡显微系统的THUNDER高分辨率组织荧光成像系统凭借其高分辨、快速、大视野的特点,可很大限度回收实验中使用mRNA探针进行单分子mRNA荧光原位杂交(smFISH)发出的大量光子,减少光损耗。使用THUNDER不仅可以获得更加清晰和高分辨率的图像,而且实验结果更便于统计分析且重复性高,适合进行组织大视野快速扫描。

徕卡显微系统的THUNDER高分辨率组织荧光成像系统

QPix系列高通量筛选系统助力具有抗菌作用的益生菌筛选和机制研究

单增李斯特菌是一种常见且最致命的食源性病原体之一,被世界卫生组织列为食品中必检病原菌[6]。尽管一些细菌素如乳酸链球菌素可以抑制单增李斯特菌的生长,但存在成本高、产量低、提取困难等问题限制了它的广泛使用。因此,我们需要筛选出具有高抑菌活性、且可在短时间内起到杀菌作用的乳酸菌,并能在肠道聚集发挥益生功能。

丹纳赫生命科学旗下美谷分子仪器的QPix 400系列微生物克隆筛选系统可以提供高通量、自动化、平台化方案,用于自然菌株筛选、菌株改造后筛选、基因文库构建、基因编辑/组装、酶进化、噬菌体展示技术、合成生物学等多个应用,帮助研究人员解决关键瓶颈问题。该筛选系统能够涵盖筛选过程中的多个步骤,从成千上万个克隆中高通量、高效率、低成本地挑选出独特、优异的目的菌株[7],可以应用在医疗健康、工业化学品、生物燃料、食品饮料、消费品、农业、工程噬菌体等多个领域。

美谷分子仪器的QPix460 微生物克隆筛选系统

流式细胞术用于益生菌细胞的计数和分析

确保益生菌产品质量的关键方法就是对终产品中所含的益生菌进行计数,使用流式细胞术进行计数耗时只要几小时,而传统平板计数法耗时则需几天。如果想要实现快速对益生菌进行计数,那么流式细胞术无疑是一种更优的选择。使用丹纳赫生命科学旗下贝克曼库尔特生命科学的CytoFLEX S流式细胞分析仪,能够对小至零点几微米的细菌进行计数,还可以提供有关活性与非活性细菌的其他信息,并且节省时间和精力,此外其新增的在线检测功能起到了优化益生菌制备过程的作用。

贝克曼库尔特生命科学的CytoFLEX S流式细胞分析仪

新型益生菌高通量厌氧发酵技术的应用

人体肠道菌群及其健康促进作用的研究对营养产业尤为重要。因此,完全有必要对厌氧或微量需氧菌培养技术进行研究与开发,比如在类似这些微生物的生长条件下培养益生菌。丹纳赫生命科学旗下贝克曼库尔特生命科学的BioLector XT新一代高通量微型生物反应器是一款用于微生物培养高通量筛选的台式设备,可进行好氧、微氧和严格厌氧微生物的培养。在培养的过程中可进行补料和PH控制,还可在线监测常见的培养参数,如生物量、pH值、溶氧(DO)和各种荧光分子或蛋白质的荧光强度。为了实现高通量,BioLector XT在SBS/SLAS标准化微孔板(每板48个孔)上进行培养,这样即可在一台设备中同时处理多达48个样品。

贝克曼库尔特生命科学的BioLector XT高通量微型生物反应器

参考资料

1. Ba F, Zhang Y, Ji X, etal. Expanding the toolbox of probiotic Escherichia coli Nissle 1917 for synthetic biology. Biotechnol J. 2023, 6: e2300327

2. Han Z, Min Y, Pang K, Wu D. Therapeutic Approach Targeting Gut Microbiome in Gastrointestinal Infectious Diseases. Int J Mol Sci. 2023, 24: 15654

3. Tan Y, Liang J, Lai M, Wan S, Luo X, Li F. Advances in synthetic biology toolboxes paving the way for mechanistic understanding and strain engineering of gut commensal Bacteroides spp. and Clostridium spp. Biotechnol Adv. 2023, 69: 108272

4. Wang L, Cheng X, Bai L, etal. Positive Interventional Effect of Engineered Butyrate-Producing Bacteria on Metabolic Disorders and Intestinal Flora Disruption in Obese Mice. Microbiol Spectr. 2022, 10: e0114721

5. Guo J, Zhou B, Niu Y, etal. Engineered probiotics introduced to improve intestinal microecology for the treatment of chronic diseases: present state and perspectives. J Diabetes Metab Disord. 2023, 22: 1029

6. 丁建英, 韩剑众. 食品中单增李斯特菌的存在现状及检测方法研究进展, 食品研究与开发, 2008, 29: 171

7. 陈坚院士团队张娟教授课题组在Science of the Total Environment发表拮抗单增李斯特菌的乳酸菌的筛选、益生特性及抑菌机制解析的研究成果,https://biotech.jiangnan.edu.cn/info/1021/12229.htm

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