马里兰大学研发团队使细胞变得“智能”| 智能医疗

发布日期:2019-10-03 10:00
马里兰大学的研究人员开发了一种人工智能技术来驱动细菌团队间的自主合作。多年来,科学家们一直在探索改变微生物细胞的方法,以改进各种产品的生产方式,包括药品、燃料,甚至啤酒。通过开发细胞代谢工程的领域,研究人员还研发出创造“智能”细菌的技术,这些“智能”细菌能够执行多种功能,影响药物传递、消化甚至水体净化过程。


马里兰大学的研究人员重新连接了两种大肠杆菌中的细菌群体感应系统,使细胞群能够自主地协同工作

但是,改变细胞内部的基因和结构调控过程是一个挑战。

首先,已被编程的细胞,会以最大效率完成它们正常的日常过程;工程师们为了增加细胞对某种物质的生产所做的任何改变,都会反向扰乱细胞这些过程并覆盖细胞。

为了解决这个问题,杰姆斯·克拉克工程学院(A. James Clark School of Engineering)工程学院教授、罗伯.特费舍尔(Robert E.Fischell)生物医学设备研究所所长威廉.本特利(William E. Bentley)正与一个研究团队合作,致力于工程微生物联盟,其中细胞亚群被设计成协同工作以实现所需的功能。这一策略(该领域其他人也探索过)允许工程师设计专门的单元,并在一组单元中分配目标工作负载。


权衡的结果是,指导一个细胞联合体执行特定任务需要工程师以某种方式调节每个细胞亚群的数量。到目前为止,很少有研究集中在开发设备或系统,在一个联盟内自动调节细胞亚群的组成。一般来说,对细胞联盟的研究要求工程师们使用费心的手动或昂贵的外部控制器系统来达到平衡。

本特利和他的团队专注于细胞重组,以便他们能够自主地协调细胞的亚群密度。他们的技术在9月11日发表的自然通讯论文中强调道。

“关键的概念是细胞群可以被设计成自我调节它们的组成,并且不需要外部输入,”本特利说。“例如,没有办法确保那些被设计并用于胃肠道的细菌能够被实际保留下来,或者按照我们预期的那样生长。如果不能使用诸如磁场或电场等方便的手段来调节肠道中的细菌,那么为什么不把自我调节的特性融入细菌本身呢?“

和其他同行一样,本特利和他的生物分子代谢工程实验室的成员先前研究了“群体感应”,即qs——一种细胞间通信的细菌形式,以设计细菌株之间的通信电路,来协调它们的行为。

为了建立一个自主的系统,本特利和他的团队将两种大肠杆菌中的细菌qs系统重新连接起来,这样联盟内的通讯细胞亚群的生长速度将由细胞之间的信号决定。这是一种反馈回路,细胞能够感知和反应细胞间信号分子,称为自我诱导,使细菌能够自主合作。

这一突破可能是通过基因工程为“智能细菌”开发的一系列新功能的关键,从药物输送到水体净化,再到最新饮料的新发酵工艺过程。

本特利说:“越来越多的微生物联合体负责将原材料转化为有价值的产品。”“原材料可能是工业过程中的废物或副产品。联合体的综合能力可能远远超过单一细胞文化,因此需要有助于联合体协调的方法。”

马里兰大学费舍尔生物工程系(Bioe)和生物科学与生物技术研究所(Ibbr)研究员克里斯蒂娜•斯蒂芬斯(Kristina Stephens)是《自然通讯》论文的第一作者,“细菌与细胞信号转换器和生长控制模块的共培养,用于自主调节培养成分。”Maria Pozo(生物工程)、Chen Yu Tsao(生物工程,IBBR)和Pricila Hauk(生物工程,IBBR)也参与了本文。

这项工作在一定程度上得到了美国国家科学基金会、美国国防部(Defense Threat Reduction Agency)和美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的资助。