研究表明“肠道菌群”对人类健康产生着深远的影响。如何利用肠道菌群及其代谢产物，创制新一代的“生物活药”，用于增强机能、治疗疾病，已成为生物医药科学领域的前沿研究热点。然而，目前缺乏有效方法，对原位肠道细菌代谢进行体外无创精准调控，一定程度上限制了其转化应用进程。

天津大学生命科学学院常津团队王汉杰课题组，与化工学院张卫文团队孙韬合作，利用“纳米光遗传学”技术，开发构建一种具有光学响应特性的基因工程微生物微纳米系统，成功实现了对肠道细菌代谢的体外无创精准调控。该系统借助稀土上转换光学材料光转换特性，对构建的肠道工程菌株进行近红外光调控，启动基因光学表达模块，进而特异性分泌具有免疫活性的蛋白小分子，实现对体内免疫过程的调控。

本文要点：

1）光响应工程菌株的构建与验证：可见光基因调控pDawn系统作为光敏感工程菌质粒的核心元件，经报告基因验证表明该基因启动元件可有效实现目标蛋白基因的光控表达，相应工程菌株也具有很强的光响应敏感度。

2）上转换纳米发光材料与工程菌株的体内递送应用：非植入式近红外稀土上转换纳米材料与光响应型工程菌株均可封装在经选定化学修饰后的水凝胶微球内，通过口服递送实现肠道特定区域的靶向定植，稀土上转换纳米材料与近红外光的配合应用也很好解决了可见光在体应用穿透性较差的常见问题。 

3）免疫相关疾病模型的系统功能验证：在小鼠结肠炎模型与小鼠皮下移植黑色素瘤模型中，该系统的机体免疫调节特性均得到了很好的效果验证。从相应病症的防控角度入手均实现了病程的延缓与阻滞。 

这项工作不仅为光遗传学开辟了一条新的应用途径，而且为机体免疫病症的有效治疗拓展了一种基因工程微生物在体生物医学工程应用的新模式。该论文第一作者为生命学院杨淳、崔梅慧和张英英，通讯作者为生命学院王汉杰老师和化工学院/生物安全中心孙韬老师。

参考文献：

Yang C, Cui M, Zhang Y, Pan H, Liu J, Wang S, Ma N, Chang J, Sun T & Wang H. Upconversion optogenetic micro-nanosystem optically controls the secretion of light-responsive bacteria for systemic immunity regulation[J]. Communications Biology.

DOI: 10.1038/s42003-020-01287-4