在莱斯大学的实验室里，合成生物学家杰夫·塔博正在创建一个小型的海军学院。这些学员非常小，肉眼无法看见。但他们是保护美国海军部队免受内部敌人侵害的重要任务的一部分，这些敌人包括代谢紊乱、焦虑和抑郁。
2014年，塔博获得了美国海军研究办公室（ONR）为期三年的拨款，用于基因改造一种通常在人类肠道中发现的无害的大肠杆菌。目标是创造一种可食用的益生菌生物，它可以专注于正在发展的疾病并阻止其发展，甚至在症状出现之前。他最近成功地改造了大肠杆菌，使其具有可以检测到疾病信号化学物质的传感器——至少在小鼠肠道中是这样。
他的最终目标是设计“一种精确的肠道细菌，可以操纵人类的肠道环境以保持其健康，”他说。这包括重新连接大肠杆菌的基因，将细胞转化为可预测和可靠的微生物医生，它们装有工程化的基因回路，可以感知特定的化学干扰并释放出一系列的分子来中和它们。细胞在肠道中只会存活很短的时间，大约六个小时左右，“刚好足够完成它们的工作，”塔博说。然后它们会自然死亡或自毁。
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塔博的最初目标：肥胖和相关的代谢问题。“我们希望使用基因工程改造的大肠杆菌细胞来感知与肥胖相关的肠道紊乱信号化学物质，”塔博说，“然后提供有益的分子来预防体重增加。”
塔博的工作代表了两个热门领域的富有成效的碰撞：合成生物学，即工程改造微生物以制造有用的产品；以及微生物组学，即研究生活在人类和其他动物体内外的微生物，统称为微生物组。“这个领域潜力巨大，因为有许多与肠道相关的广泛慢性疾病，”哈佛大学威斯生物启发工程研究所的帕梅拉·西尔弗说，该研究所于2014年发布了首个合成工程肠道微生物的报告。
居住在我们肠道中的 100 万亿个细菌细胞在人类生物学的几乎所有方面都起着重要作用——消化食物、引导免疫系统，甚至通过向大脑发送影响情绪、认知和行为的信号来决定心理健康。因此，肠道微生物群落的破坏会导致疾病，包括肥胖和相关问题，这并不奇怪。
塔博的项目是 ONR 资助的更大的微生物组项目的一部分，旨在帮助美国海军部队在面对压力时更加强壮——饮食或环境变化、恐惧的情况、睡眠不足或因时区变化或居住在潜艇中而导致的昼夜节律紊乱。“我们对肠道微生物群如何应对这些压力感兴趣，”ONR 战士保护和应用部门的项目官员琳达·克里斯表示。“它们是否对宿主的反应有贡献？如果是这样，我们能否调整微生物群以隔离宿主免受压力？”
塔博选择专注于肥胖，“因为我们已经在分子水平上对它了解很多，”他说，“所以这是一个测试概念的好模型。”我们的微生物群就像一个代谢“器官”，影响卡路里和营养吸收，管理能量平衡并控制体重。（科学家不确定是什么决定了微生物组的组成。越来越多的证据表明，它在出生前就已确定，并且与遗传、孕妇饮食和分娩方式有关。）很明显，一些细菌会产生破坏体内平衡的分子，导致肥胖和其他疾病。研究表明，健康人的肠道细菌会产生增强肠壁的化合物，而肥胖的人的肠道细菌会产生削弱肠壁的化合物。这使得细菌分子能够进入不应进入的血液，从而引发免疫反应。由此产生的慢性炎症与一系列疾病有关，从炎症性肠病到精神健康障碍，如焦虑和抑郁。
现在还处于早期阶段，但塔博已经分离出几种传感器，对它们进行了重新设计并将它们放入单个大肠杆菌中。他将改造后的细胞喂给小鼠，并表明传感器在小鼠肠道内已被激活，这表明它们检测到了目标化学物质。
塔博计划让单个大肠杆菌携带多达十几个传感器，以便它可以一次检测多个信号，从而进行更准确的诊断。最终，他计划改造这些细胞，以便在需要时产生药物——高度靶向的抗生素，旨在与可能从肠道泄漏到血液中的细菌化学物质结合并使其失活——从而防止导致肥胖、炎症和相关疾病的改变。将这些药物输送到身体中需要的确切组织而不是其他地方，既可以减少副作用，又可以提高疗效。
然而，“这些是基因工程改造的生物，因此会有很长的争论，”西尔弗说。“我们必须权衡风险与潜在的好处。但我们正在努力开发使这些生物本身安全的方法。我认为对风险的担忧会被好处所抵消，特别是对于那些患有慢性疾病的人。”
到目前为止，塔博只改变了小鼠的微生物群。但是，他说，“很难想象未来我们不会通过这种方式操纵肠道细菌来诊断和治疗，甚至可能治愈人类的许多疾病——糖尿病、自身免疫性疾病、癌症、神经系统疾病，以及，是的，体重问题。”
事实上，海军可能会找到创造性的方法来部署这些合成益生菌，不仅可以避免肥胖及其相关问题，还可以在必要时快速改变体重和新陈代谢，塔博建议说。“想象一下，你有一队海军陆战队员从温带环境（比如海平面）前往一个非常寒冷的环境（比如山顶） 在很短的时间内。你希望他们能够快速增加一些脂肪，以便在寒冷的环境中更加强壮。”
解决方案？一剂添加了合成益生菌的酸奶，可以改变战士的新陈代谢，在几周内增加脂肪——然后在他们返回海平面后服用另一剂以减少脂肪。