微生物通过肠-脑轴影响和调节大脑功能，设计光遗传学工程益生菌并口服递送至肠道，可以通过肠-脑轴机制对神经系统进行便捷的人为调控。然而，光遗传学常用的蓝绿光组织穿透性十分有限，往往依赖上转换纳米材料等的辅助，造成了给光效率降低、光调控操作不便、生物相容性隐患等问题，限制了该策略的在体应用推广。针对以上问题，天津大学王汉杰课题组将红光光遗传元件引入工程益生菌以实现肠-脑轴精准调控，为肠-脑轴调控提供了一种高效便捷的新工具和新策略，在Biomaterials期刊发表题为“A red light-controlled probiotic bio-system for in-situ gut-brain
axis regulation”的研究成果。
在本文中，利用合成生物学技术设计了红光响应的大肠杆菌Nissle 1917（EcN），使其响应光信号裂解并释放生产的嵌合多肽Exendin-4-ABD-AFF；释放出的多肽可入血并入脑，发挥神经元调控与保护功能。以MPTP诱导的帕金森小鼠模型为例，对该系统的体内光遗传学调控能力进行探究。（1）红光响应线路构建和光控多肽释放研究：为了实现益生菌的体内精准调控，首先需要为其设计穿透性更好的红光响应“开关”，并构建基因线路实现目的产物的光控释放。我们在EcN中构建了基于Cph8光敏蛋白的红光响应线路，验证其光响应灵敏性和穿透能力，结果表明，红光照射2小时可达到约5倍诱导，且穿过组织后诱导的效率远高于传统的蓝光响应系统pDawn。随后，我们构建了光响应菌体裂解、释放多肽产物的基因线路，测量到工程菌响应红光后释放多肽产物约400pg/mL/h。
（2）口服工程菌材料构建和工程菌递送验证：为了实现高效的益生菌口服递送，本文使用海藻酸钙水凝胶微球包裹工程菌，在胃模拟液中验证了水凝胶对工程菌活性的保护能力，以及在肠模拟液中PH响应快速释放工程菌的能力。以荧光素酶为工程菌的报告基因，通过活体成像观察工程菌在肠道中递送定植的状态。
（3）红光响应工程菌对小鼠行为学的调控：建立MPTP诱导的帕金森小鼠模型，为其口服递送工程菌，工程菌可在体内响应红光释放Exendin-4-ABD-AFF多肽，从而改善小鼠的行为学状态，通过爬杆测试、自发交替测试、Y迷宫训练测试、旷场测试等行为学技术，验证了小鼠包括运动能力、空间记忆与学习能力、焦虑行为等的改善。
（4）红光响应工程菌对帕金森小鼠的生理改善：为帕金森模型小鼠口服递送工程菌，在分子指标层面上分析工程菌递送Exendin-4-ABD-AFF多肽的能力及其生理作用。该系统可响应红光分泌多肽入血，并进入脑部。经过一个月的每日定期光照处理，小鼠脑内多巴胺水平回升，疾病标志物α-突触核蛋白脑内浓度降低，炎症指标降低。
这项工作从合成生物学角度提供了一种穿透性更强、高效便捷的“肠-脑轴”光调控策略，为工程菌的体内光遗传应用提供了新工具。论文第一作者为天津大学生命科学学院博士生张新宇，天津大学生命科学学院的王汉杰教授、常津教授和刘夺副研究员为该文章的共同通讯作者。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。Xinyu Zhang, Gaoju Pang, Tao Sun, Xinyu Liu, Huizhuo Pan, Yingying
Zhang, Jing Liu, Jin Chang*, Hanjie Wang*, Duo Liu*, A red light-controlled
probiotic bio-system for in-situ gut-brain axis regulation, Biomaterials 2023, 294, 122005.
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