中科院深圳先进院金帆课题组综述光遗传工具在控制细菌行为方面的应用

近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所 金帆 课题组受国际知名学术期刊Current    Opinion in Solid State and Materials Science 编辑部邀请，在线发表了题为： Illuminating bacterial behaviors with optogenetics 的综述论文。金帆研究员为论文通讯作者，隗晶晶为第一作者。 光遗传学技术 是一种通过使用光学技术和遗传技术来实现控制细胞行为的方法。虽然光遗传学技术在神经科学和基础研究中已经相对成熟，但光遗传学工具在细菌学中的应用尚在发展。将设计好的光控系统导入到细菌中，细菌就可以感知和响应光，就可以通过光来调控细菌的行为。 文章对常见的光遗传系统进行了简要介绍，总结了光遗传工具在控制细菌行为方面的应用，重点介绍了光控系统的使用策略。  

相比化学诱导剂和其他环境诱因 （如pH值或温度） ，光信号具有快速、易调谐和高时空分辨率的优势。因此，光遗传学技术已经被广泛应用于真核细胞的研究，以实现实时、精确和非侵入性的细胞行为调控。光遗传学的发展甚至彻底改变了神经科学领域，让科学家可以在毫秒级精度解析和诱导单个神经元活动。近年来，越来越多的研究人员在细菌中构建光遗传系统，或是利用光遗传系统来调控细菌的行为。 在这篇综述中，作者首先介绍了光遗传系统的作用机理。以天然的光感受器 （光敏蛋白） 作为模板，通过突变、结构域互换或与其他蛋白质的模块化组合等方法可以构建出响应不同波长的光遗传系统：分子内系统和分子间系统 （图1） 。分子内系统通过别构或立体调控来直接调节蛋白质的活性，而分子间系统通过光感受器的同源二聚化、寡聚化、异源二聚化或解离来实现蛋白质相的互作用、定位或活性调控。

图1：光遗传系统的示意图（a）基于空间位阻机理的分子内体系。（b）基于光感受器二聚体的分子间体系。 而后，文章阐述了光遗传系统在转录层级和翻译后层级上的作用机理 （图2） 。光遗传系统可以作为转录调节因子，调控下游基因的表达水平；相比之下，在翻译后水平上发挥作用的光遗传系统往往能使得调控更快和更直接。 最后，文章综述了使用各类光遗传系统对细菌的新陈代谢、分裂、死亡、运动及生物被膜形成等行为的调控。例如，Zhang 等在大肠杆菌中导入了蓝光响应的EL222光遗传系统来控制蛋白磷酸酶CheZ的表达，可以实现用蓝光操纵细菌的运动。Huang 等在铜绿假单胞菌中构建了一个由蓝光激活的c-di-GMP磷酸二酯酶BlrP1和红光激活的二鸟苷酸环化酶BphS组成的双色系统以调控铜绿假单胞菌的胞内c-di-GMP水平，并使用该工程菌形成具有高空间分辨率 （~10μm） 的图案生物膜。

图2：在转录层级或翻译后层级上实施的对细菌行为的光遗传调控 该工作获得了国家重点研发计划合成生物学专项及深圳合成生物学创新研究院的支持。 

文章链接 ： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359028622000432