在萊斯大學的實驗室裡，合成生物學家傑夫·塔博正在建立一個小型的海軍學院。這些學員非常小，肉眼無法看見。但他們是保護美國海軍部隊免受內部敵人侵害的重要任務的一部分，這些敵人包括代謝紊亂、焦慮和抑鬱。
2014年，塔博獲得了美國海軍研究辦公室（ONR）為期三年的撥款，用於基因改造一種通常在人類腸道中發現的無害的大腸桿菌。目標是創造一種可食用的益生菌生物，它可以專注於正在發展的疾病並阻止其發展，甚至在症狀出現之前。他最近成功地改造了大腸桿菌，使其具有可以檢測到疾病訊號化學物質的感測器——至少在小鼠腸道中是這樣。
他的最終目標是設計“一種精確的腸道細菌，可以操縱人類的腸道環境以保持其健康，”他說。這包括重新連線大腸桿菌的基因，將細胞轉化為可預測和可靠的微生物醫生，它們裝有工程化的基因迴路，可以感知特定的化學干擾並釋放出一系列的分子來中和它們。細胞在腸道中只會存活很短的時間，大約六個小時左右，“剛好足夠完成它們的工作，”塔博說。然後它們會自然死亡或自毀。
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塔博的最初目標：肥胖和相關的代謝問題。“我們希望使用基因工程改造的大腸桿菌細胞來感知與肥胖相關的腸道紊亂訊號化學物質，”塔博說，“然後提供有益的分子來預防體重增加。”
塔博的工作代表了兩個熱門領域的富有成效的碰撞：合成生物學，即工程改造微生物以製造有用的產品；以及微生物組學，即研究生活在人類和其他動物體內外的微生物，統稱為微生物組。“這個領域潛力巨大，因為有許多與腸道相關的廣泛慢性疾病，”哈佛大學威斯生物啟發工程研究所的帕梅拉·西爾弗說，該研究所於2014年釋出了首個合成工程腸道微生物的報告。
居住在我們腸道中的 100 萬億個細菌細胞在人類生物學的幾乎所有方面都起著重要作用——消化食物、引導免疫系統，甚至透過向大腦傳送影響情緒、認知和行為的訊號來決定心理健康。因此，腸道微生物群落的破壞會導致疾病，包括肥胖和相關問題，這並不奇怪。
塔博的專案是 ONR 資助的更大的微生物組專案的一部分，旨在幫助美國海軍部隊在面對壓力時更加強壯——飲食或環境變化、恐懼的情況、睡眠不足或因時區變化或居住在潛艇中而導致的晝夜節律紊亂。“我們對腸道微生物群如何應對這些壓力感興趣，”ONR 戰士保護和應用部門的專案官員琳達·克里斯表示。“它們是否對宿主的反應有貢獻？如果是這樣，我們能否調整微生物群以隔離宿主免受壓力？”
塔博選擇專注於肥胖，“因為我們已經在分子水平上對它瞭解很多，”他說，“所以這是一個測試概念的好模型。”我們的微生物群就像一個代謝“器官”，影響卡路里和營養吸收，管理能量平衡並控制體重。（科學家不確定是什麼決定了微生物組的組成。越來越多的證據表明，它在出生前就已確定，並且與遺傳、孕婦飲食和分娩方式有關。）很明顯，一些細菌會產生破壞體內平衡的分子，導致肥胖和其他疾病。研究表明，健康人的腸道細菌會產生增強腸壁的化合物，而肥胖的人的腸道細菌會產生削弱腸壁的化合物。這使得細菌分子能夠進入不應進入的血液，從而引發免疫反應。由此產生的慢性炎症與一系列疾病有關，從炎症性腸病到精神健康障礙，如焦慮和抑鬱。
現在還處於早期階段，但塔博已經分離出幾種感測器，對它們進行了重新設計並將它們放入單個大腸桿菌中。他將改造後的細胞餵給小鼠，並表明感測器在小鼠腸道內已被啟用，這表明它們檢測到了目標化學物質。
塔博計劃讓單個大腸桿菌攜帶多達十幾個感測器，以便它可以一次檢測多個訊號，從而進行更準確的診斷。最終，他計劃改造這些細胞，以便在需要時產生藥物——高度靶向的抗生素，旨在與可能從腸道洩漏到血液中的細菌化學物質結合並使其失活——從而防止導致肥胖、炎症和相關疾病的改變。將這些藥物輸送到身體中需要的確切組織而不是其他地方，既可以減少副作用，又可以提高療效。
然而，“這些是基因工程改造的生物，因此會有很長的爭論，”西爾弗說。“我們必須權衡風險與潛在的好處。但我們正在努力開發使這些生物本身安全的方法。我認為對風險的擔憂會被好處所抵消，特別是對於那些患有慢性疾病的人。”
到目前為止，塔博只改變了小鼠的微生物群。但是，他說，“很難想象未來我們不會透過這種方式操縱腸道細菌來診斷和治療，甚至可能治癒人類的許多疾病——糖尿病、自身免疫性疾病、癌症、神經系統疾病，以及，是的，體重問題。”
事實上，海軍可能會找到創造性的方法來部署這些合成益生菌，不僅可以避免肥胖及其相關問題，還可以在必要時快速改變體重和新陳代謝，塔博建議說。“想象一下，你有一隊海軍陸戰隊員從溫帶環境（比如海平面）前往一個非常寒冷的環境（比如山頂） 在很短的時間內。你希望他們能夠快速增加一些脂肪，以便在寒冷的環境中更加強壯。”
解決方案？一劑添加了合成益生菌的酸奶，可以改變戰士的新陳代謝，在幾周內增加脂肪——然後在他們返回海平面後服用另一劑以減少脂肪。