双组分系统造就细菌传感器的产生

　　莱斯大学的合成生物学家利用“即插即用”系统攻击细菌感知系统，可用于混合和匹配成千上万的感官输入和遗传输出。该技术对医学诊断、致命病原体研究、环境监测等具有广泛的影响。

　　在近六年的项目中，赖斯生物工程师杰夫塔博尔及其同事进行了数千次实验，表明他们可以系统地重新连接双组分系统。双组分系统即指细菌用于感知周围环境并听取邻居的遗传电路。他们的研究成果发表在Nature Chemical Biology上的一项研究中。

Kathryn Brink是莱斯大学合成、系统和物理生物学专业的研究生

双组分系统

　　塔博尔的小组对已知细菌传感器的输出进行了重新布线，并在远距离相关的细菌之间移动了传感器。最重要的是，他们表明他们可以识别未知传感器的功能。

　　“基于基因组分析，我们知道细菌中至少有25,000个双组分系统，”Rice的布朗工程学院生物工程副教授兼该项目的首席科学家Tabor说。“然而，对于大约99％的人来说，我们不知道他们感觉到什么，或者他们在响应中激活了什么基因。”

　　在2018年，研究人员发现两种致命的多药耐药细菌菌株，使用一种未知的双组分系统来逃避粘菌素，也是一种最后的抗生素，强调了解开双组分系统的新工具的重要性。但塔博尔说，该工具的可能用途不仅限于医学。

　　“这是大自然最大的生物传感器宝库，”他说。“基于我们理解的一些双组分系统的精确特异性和敏感性，人们普遍认为细菌传感器将胜过人类用当今最好的技术制造的任何东西。”

　　塔博尔说，这是因为细菌传感器经过数十亿年的演变经过磨练和精炼。

　　“细菌没有任何像眼睛、耳朵或鼻子那样复杂的东西，但它们在非常不同的环境之间旅行，如叶子或肠道或土壤，它们的生存取决于它们感知和适应这些变化的能力，“ 他说。

为了发现全新的双组分系统的功能，莱斯大学的合成生物学家将遗传线路重新连接到7种细菌菌株中，并研究了每种化学物质暴露于117种化学物质时的表现

　　“双组分系统的存在意义是什么呢，”塔博尔说。这些系统使细菌看到“光”、嗅到“周围的化学物质并”、听到“最新的社区新闻，这些新闻以邻居播放的生物化学推文的形式出现。”

　　细菌是最丰富的生命形式，双组分系统几乎出现在已经测序的每个细菌基因组中。大多数物种有大约24个传感器，有些有几百个。

　　有超过六种类型的双组分系统，但它们都以类似的方式工作。它们具有传感器激酶（SK）组分，其“监听”来自外界的信号，并且在“听到”它时，启动称为磷酸化的过程。这激活了第二个组件，一个作用于特定基因的响应调节器（RR），像开关一样打开或关闭，或像表盘一样打开或关闭。

　　尽管在基因组扫描中很容易发现组分的遗传密码，但双重神秘使生物学家几乎不可能确定双组分系统的作用。

　　塔博尔说：“如果你不知道它所感知到的信号而且你不知道它所依据的基因，那就很难了。我们知道大约1％的双组分系统的输入或输出，我们知道输入和输出的数量更少。”

　　科学家们确实知道SK's通常是跨膜蛋白，具有传感域，一种生化天线，可以穿过细菌的囊状外膜。每个传感器域设计用于锁定特定的信号分子或配体。每个SK都有自己的靶配体，与配体的结合是引发基因开启、关闭、上升或下降的连锁反应。

DNA结合结构域

　　重要的是，尽管每个双组分系统都针对特定配体进行了优化，但它们的SK和RR组分的工作方式类似。考虑到这一点，塔博尔和研究共同主要作者塞巴斯蒂安施密德于2013年底决定尝试交换DNA结合结构域，这是响应调节因子识别DNA并激活该途径靶基因的部分。

　　塔博尔说：“如果你看一下之前的结构研究，那么DNA结合域通常看起来就像从磷酸化结构域搭起来的货物。正因为如此，我们认为DNA结合域可能起到可互换模块或乐高积木的作用。”

　　为了测试这个想法，当时塔博尔集团的DFG博士后研究员施密德重新设计了Tabor团队之前开发的两个光传感器组件，一个响应红灯，另一个响应绿色。施密德将红光传感器的输入重新连接到绿光传感器的输出，位于磷酸化和DNA结合结构域之间的39个不同位置。为了观察39个接头是否有效，他用红光刺激它们并寻找绿光响应。

　　塔博尔说：“他们中的十个人在第一次尝试时工作，并且有一个最佳的、特定的位置，拼接看起来效果很好。”

　　事实上，测试工作得非常好，他和施密德认为他们可能只是幸运地将两个非常匹配的通道拼接在一起。因此，他们重复测试，首先将四个额外的DNA结合结构域连接到相同的反应调节因子，然后将五个DNA结合结构域连接到同一传感器途径。大多数这些重新布线也起作用，表明该方法比以前发布的方法更加模块化。

在研究的最后阶段，莱斯大学的研究生凯瑟琳·布林克（Kathryn Brink）进行并复制了近1,000个单独的实验，以分离以前未知的细菌双组分传感器功能

　　研究人员发现一个全新的双组分系统的功能是最终的测试。为此，博士后研究员Kristina Daeffler和SSPB博士。学生Kathryn Brink将七种不同的未知双组分系统从细菌Shewanella oneidensis移植到大肠杆菌中。他们为每个未知传感器设计了一种新的大肠杆菌菌株，并使用DNA结合域交换将其所有活性与绿色荧光蛋白的表达联系起来。

　　基于此，他们选择了117种不同的化学物质，因为每种化学物质必须与每种突变体和对照组一对一地进行测试，所以Brink必须进行并复制近1,000个单独的实验。当她发现其中一个传感器检测到pH值变化时，这种努力得到了回报。

　　对新鉴定的传感器进行基因组检索强调了使用工具解锁双组分系统的重要性：pH传感器出现在几种细菌中，包括引起腺鼠疫的病原体。

　　“这突出了解释双组分系统的机制如何帮助我们更好地理解并希望更好地治疗疾病，”塔博尔说。

　　塔博尔接下来的技术在哪里？他正在利用它来挖掘人类肠道细菌的基因组，寻找包括炎症性肠病和癌症在内的新型疾病传感器，目标是设计出能够诊断和治疗这些疾病的新一代智能益生菌。