2025年合成生物学创新赛
第18期《科普专栏》
文章来自浙江大学 HiZJU-China 团队
题为：GlucoXpert——肠道内的降糖减肥“专家”
据统计，全球每8个人中就有1个肥胖症患者，而肥胖相关疾病每年约导致1600万人过早死亡！目前主流的药物治疗方法（如司美格鲁肽、利拉鲁肽）虽能有效降糖减肥，却需要频繁注射或口服给药，严重影响了患者的依从性以及最终疗效。有没有更轻松灵活的办法？浙江大学HiZJU-China团队想到：让肠道细菌自己生产GLP-1类药物，构建一个 “长效减肥工厂”！
GLP-1全称胰高血糖素样肽-1，是一种由小肠内L细胞分泌的肠促胰岛素激素，可通过与分布于人体各处的GLP-1R受体结合发挥降糖减肥的作用。我们选择安全的 “肠道原住民”——大肠杆菌Nissle 1917(EcN)作为GLP-1的“药厂”。这种细菌能在肠道天然定植，还能调节免疫以及治疗炎症。通过基因工程改造，EcN能根据肠道环境信号智能生产GLP-1，有效降低用药频率与系统副作用。
图1 肠道益生菌自生产改造GLP-1示意图
为了让工程菌只在肠道里 “开工”并加以调控，我们设计了一个 “双重钥匙” 开关（与门感应模块）：第一把钥匙是肠道里特有的胆酸盐（BS），用于匹配“厂房”的位置；第二把钥匙是绿茶茶多酚的代谢产物原儿茶酸（PCA），传达“开工”讯号。只有两把钥匙（PCA和BS）同时插入，EcN才会开启GLP-1的合成生产。此外，为了提高产量，我们还设计了“奖惩机制”（放大与负反馈线路），将体内GLP-1的浓度水平维持相对稳定，降低代谢紊乱风险。
图2 与门感应模块基因逻辑线路示意图
图3 信号放大与负反馈模块基因逻辑线路示意图
天然GLP-1在体内只能存活2分钟，很快就会被酶降解。因此，我们借助其他氨基酸对GLP-1的“弱点”（关键酶切位点）进行保护，以提高其循环半衰期并尝试增强活性。
图4 GLP-1（7-36）体内循环酶切位点示意图
首先采用相似天然氨基酸替换酶切位点来降低蛋白酶的特异性识别能力，接着尝试引入“分子装甲”——非天然氨基酸来进一步增强体内稳定性，同时优化GLP-1的分子构象，探索活性功能提升。5-羟基色氨酸（5-HTP）和磺酸化酪氨酸（sTyr）是经实验验证可在大肠杆菌中实现全过程生物合成的极性非天然氨基酸，在此基础上通过基因密码扩展（GCE）技术，借助琥珀终止密码子定点引入非天然氨基酸（ucAAs），评估与受体的结合能力。经过以上改造，GLP-1在体内作用时间将大大延长。
图5 微生物合成非天然氨基酸的代谢改造
图6 遗传密码扩展技术引入非天然氨基酸示意图
带有外源基因元件的工程菌与正常菌种“格格不入”，容易将基因慷慨“分享”给临近的菌株产生水平基因转移（HGT）安全风险。为此，我们添加了温度-阿拉伯糖或门双响应自杀“保险”：一旦EcN逃逸至体外低于33℃的环境，或主动服用阿拉伯糖就会触发 工程菌自杀机制。当然，我们也会给它准备一点抗毒素“解药”，确保其正常定植时安全工作。
图7 生物安全模块或门逻辑基因线路示意图
人工程菌要想到达肠道部位工作必须通过胃部 “强酸多酶关卡”，我们便用海藻酸钠和壳聚糖制成 “水凝胶防护服”。其形成的网状交联结构可以保护工程菌免受胃酸和消化酶的破坏，并在肠道中性环境下崩解释放，让它们安全抵达肠道定植，“到岗上班”。
图8 基于水凝胶pH响应的工程菌肠道靶向释放示意图
未来展望
请想象一群在肠道部位定植的益生菌，只要每天餐前收到绿茶的“开工信号”，便会兢兢业业高质量合成长效GLP-1，让体重与血糖管理成为日常操作。相信通过对GLP-1“质”与“量”的双重改造，我们能为降糖减肥提供高依从性生物疗法新思路，也为用户提供安全、灵活、多样、有效的用药选择。
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