“肠道菌群”泛指定植于肠道的宿主微生物。它们虽定植于肠道，却不仅仅调控肠道稳态。研究表明，肠道菌群及其代谢产物，可以通过血液循环、免疫激活、神经调控等，影响远端大脑，进而影响宿主行为、疾病等稳态。这条通过肠道菌群调控大脑的途径，也被称为“肠-脑轴”。如何利用“肠-脑轴”途径，实现对大脑神经系统的精准调控，一直是神经科学领域的研究热点、难点。
近日，天津大学生命科学学院王汉杰课题组在“肠-脑轴”精准调控的研究中取得重要突破，在ACS旗下ACS NANO期刊发表题为“Light-SensitiveLactococcus lactisfor Microbe−Gut−Brain Axis Regulating via Upconversion Optogenetic Micro-Nano System”的研究成果。
在本文中，利用合成生物学技术改造了“光敏乳酸乳球菌”，使其在蓝光诱导下分泌特定产物；为解决外源工程菌体内靶向难、体内调控难的两大关键问题，结合水凝胶递送技术及上转换光遗传技术，可实现工程菌的“小肠精准靶向递送”及“体内精准表达调控”。并在小鼠中，以焦虑症、帕金森症与迷走神经调控为研究模型，对该系统的体内可实施性进行探究。具体研究要点如下：
（1）“光敏乳酸乳球菌”系统的构建：为了实现乳酸乳球菌的体内精准调控，利用光遗传学改造，为其加上表达“开关”是第一步。将蓝光响应启动子pDawn插入乳酸乳球菌NZ9000表达载体pNZ8148，并以GFP为报告基因，验证光敏乳酸乳球菌的蓝光敏感性。实验证实，与黑暗组相比，蓝光光照30 min后，GFP表达提高3倍。
（2）“小肠精准靶向递送”系统的构建：由于小肠是主要的吸收部位，如何将“光敏乳酸乳球菌”最大可能地靶向至小肠，是利用工程菌调控“肠-脑轴”的关键难题。利用海藻酸钠材料的独特pH敏感性，制备包裹乳酸乳球菌的“壳聚糖-海藻酸钠”水凝胶微珠，并在其表面修饰小肠靶向肽PepT1。小鼠口服后，胃液内，微珠保持稳定；肠道内，在PepT1及壳聚糖作用下，微珠靶向到小肠内皮细胞，并在肠液pH作用下，乳酸乳球菌从海藻酸钠中逐步释放。实验证实，与传统的口服方法相比，该微珠能够将乳酸乳球菌的小肠靶向率提高4倍。
（3）“体内精准表达调控”系统的构建：蓝光作为可见光，不仅难以到达深层生物组织，而且对神经系统有一定损害性。将上转换材料包裹在PEGDA微液滴中，通过口服递送至小鼠肠道后，上转换材料可以将980nm近红外光转换至体内蓝光，进而诱导“光敏乳酸乳球菌”表达下游产物。实验证实，30min的近红外光诱导下，“光敏乳酸乳球菌”在体内可表达GFP。
（4）“肠-脑轴”调控应用：针对不同的神经模型，构建分泌不同产物的“光敏乳酸乳球菌”，在小鼠体内验证该系统的“肠-脑轴”调控能力。实验证实，将蓝光诱导下分泌γ-氨基丁酸（GABA）的乳酸乳球菌LL-GABA利用微珠递送至小肠，在焦虑模型小鼠中，接受7天近红外光照后，小鼠焦虑症状缓解；将蓝光诱导下分泌粒细胞集落刺激因子（GCSF）的乳酸乳球菌LL-GCSF利用微珠递送至小肠，在帕金森模型小鼠中，接受7天近红外光照后，小鼠帕金森症状显著缓解；构建蓝光诱导下分泌胰高血糖素样肽-1（GLP1）的乳酸乳球菌LL-GLP1，利用微珠递送至小肠后，利用近红外光刺激小鼠腹部，GLP1可通过刺激肠神经激活迷走神经通路，诱发脑内神经元兴奋。
这项工作将合成生物学技术、纳米工程技术与神经科学技术结合，以“肠-脑轴”为例，为工程菌精准、有效地调控宿主的大脑创造新的方法。该论文的第一作者是天津大学生命科学学院潘惠卓，天津大学生物安全战略研究中心孙韬为共同第一作者，通讯作者为天津大学生命科学学院王汉杰。该研究工作获得国家重点研发计划“合成生物学”专项、国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金项目、面上项目等经费资助。