微生物群体感应助力合成生物传感器实现粪便多标记精准诊断

研究背景

微生物群体感应（Quorum Sensing）是细菌通过信号分子协调群体行为的重要机制，细菌产生的自诱导物会随着种群密度的增加而积累，进而诱导细菌对种群密度的响应，调节生物膜的形成或特定基因的表达。近年来随着群体感应系统原理及关键元件的逐渐清晰，应用合成生物学手段进行多技术联合具有巨大的发展潜力。先前有研究团队就采用合成生物学的技术利用这一原理设计微生物传感器，可检测环境毒素或疾病标志物。然而，现有系统存在两大瓶颈，一方面，传感器检测细胞浓度依赖性强：传感器输出易受菌群数量波动影响，导致结果不稳定；另一方面多标记检测困难，单菌株承载复杂基因线路易引发资源竞争和串扰。基于上述困扰，以色列理工学院Ramez Danie团队开发了一种耦合微生物群体系统，通过共享信号分子协调多菌株活性，解决上述问题。

图1 通过共享信号分子协调多菌株活性实现耦合生物传感器

研究原理

团队设计了三种微生物群体配置（图1b），分别是血红素感应菌株、乳酸感应菌株、信号产生菌株。两种感应菌株分别检测相对应的标注无，信号产生菌株会产生一种共享信号（CHL）将它们连接起来。并且这种共享信号分子通过一个不一致前馈环路（IFFL）进行调控，确保其在低水平下稳定表达。具体地说，该系统包括：

1. IFFL系统：利用非一致前馈环路（IFFL）基因电路稳定产生低浓度CHL信号（图2a）；

2. 直接调控系统：与第一种类似，但共享信号是通过两层的转录级联在高水平上产生的；

3. 外部诱导系统：由血红素和乳酸细菌生物传感器组成，其中共享信号由外部提供一次。这种配置的目的是比较细菌菌株产生信号与共享信号对联盟输出的直接外部添加的影响。此外，它还能够评估不同浓度的共享信号如何影响系统性能。

图2 非相干-1型前馈环路（IFFL）电路的开发

上述IFFL电路具有两个核心优势（图2d）：1.双路径调控：信号分子AHL激活下游基因的同时，通过中间抑制蛋白（ExsD）平衡输出，形成稳定平台期；2.低资源消耗：相比直接调控系统，IFFL在相同培养条件下细胞密度更高（OD₆₀₀提升20%），适合资源受限环境。系统的信号耦合基质如图3所示：MIN逻辑门：通过拆分荧光素酶基因（luxAB与luxCDE），传感器输出为共享信号（CHL）与目标分子（血红素/乳酸）的最小值；动态协调：当CHL浓度低于总细胞密度( S_T < N₁ + N₂ )时，系统输出对菌群波动不敏感。

图3 使用直接调节和IFFL网络共培养物的全细胞生物传感器

研究亮点

1. 超稳信号输出：IFFL系统维持CHL低浓度稳定超过15小时（图2d），显著优于直接调控和外部诱导系统；

2. 抗干扰性强：在菌群扰动实验中（图4k-l），IFFL系统的变异系数（CV）比直接调控系统降低46%~90%；

图4 生物传感器

3. 多标记同步检测：单输出整合血红素（炎症标志）和乳酸（肿瘤标志），成功应用于小鼠和人类粪便样本（图5c-d）；

4. 临床实用性：无需实时测量OD₆₀₀，简化设备需求（如可吞服胶囊或便携式检测仪）。

图5 粪便检测的耦合传感器

效果验证

1. 动态响应对比（图4j）：

- IFFL系统可清晰区分“00”（无诱导）、“11”（双诱导）状态（p=0.049）；

- 直接调控和外部诱导系统在“11”与“10”状态间无法有效区分（p>0.4）。

2. 粪便样本测试（图5d）：

- 在含3% DSS（结肠炎诱导剂）的小鼠粪便中，传感器成功捕捉血红素信号，响应强度与炎症程度正相关；

- 检测窗口期达40小时，覆盖肠道转运时间。

展望与应用 

这项研究未来可以扩展检测谱，适配其他标志物（如尿酸、病原体毒素），用于尿液化验或环境监测；也可以拓展用于活体治疗的研究，如整合IFFL模块调控药物释放，用于工程菌治疗炎症性肠病或癌症；更能够为低成本诊断提供助力，此类设备单腔室设计降低设备复杂度，适用于资源匮乏地区。这项研究通过巧妙的基因电路设计和群体耦合策略，突破了合成生物传感器在复杂环境中的稳定性瓶颈，为未来个性化医疗和即时诊断（POCT）提供了全新思路。期待其从实验室走向临床，造福全球患者！

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58996-9