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肠道菌群和PolyP，前者是一群生活在我们肠道中的细菌，后者全名多聚磷酸盐，是一类由几十甚至几百个磷酸盐单体通过类似ATP中的高能磷酸键聚合而成的无机聚合物，他们之间有着怎样的联系，能够碰撞出怎样的火花呢？这就是今年Nanjing-China团队希望在iGEM比赛中揭示的奥秘。
肠道菌群
正常肠道中寄居着大量厌氧和兼性需氧细菌共生群体。他们之间互相依赖的同时也互相制约，维持相对动态平衡。除此之外，正常肠道菌群还有合成维生素，促进宿主生长发育，直接或间接参与宿主的代谢和防御三大功能。[1]
根据对宿主健康的影响,肠道菌群可分为三大类:
(1)益生菌,即肠道正常菌群如双歧杆菌、乳酸杆菌等,多为专性厌氧菌。这类菌群是日常生活中我们最常接触到的，市面上很多酸奶都以其为宣传重点;
(2)中性菌,属于条件致病菌,如肠杆菌、肠球菌等,以兼性需氧菌为主。[2]该类细菌对正常人体并无明显致病作用，只有在某些特定条件下才能致人患病（遇机体免疫系统出现调节紊乱和功能破坏，致免疫能力降低(如免疫缺陷、手术、外伤、菌群失调)等情况时方能乘虚而入致人患病）;
(3)有害菌,即肠道致病菌,如沙门菌、变形杆菌和致病性大肠埃希菌等。[2]
那么肠道菌群对于人体的具体影响有什么呢？接下来就让我们从一些研究中来看看。首先，在下面这三瓶饮料中，大家觉得哪一个味道更好呢？
一项调查表明，在不知道饮料的种类时，多数参与者认为含糖量更高的百事可乐更加好喝，这就涉及到了我们对糖类的选择偏好，研究发现，小鼠在敲除了位于舌头的甜味受体后仍然会对甜味产生偏好，但若再同时阻断肠脑轴则不会再对甜味产生偏好。而在肠脑轴，也就是肠道和大脑的代谢物交换环路中，肠道菌群发挥了重要的作用。[3][4]（如左下图）
根据目前的研究，肠道菌群的代谢物可以影响人体的大脑功能、体重等多个方面的生理指标，与糖尿病、焦虑症等疾病都具有一定的关联。一个很好的例子就是由上海生化所研究的治疗阿尔茨海默症的新药甘露特钠（GV-），该药物通过调控肠道菌群的代谢产物来降低大脑的外周免疫细胞水平从而缓解β-淀粉样蛋白的积累。[5]（如右下图）
目前主要有两种调控人体肠道菌群组成的策略，一是通过移植健康个体的肠道菌群，二是通过饮食或药物的干预，前者效果明显却难以持久，后者应用方便却难以产生足够强的效果。这其中的原因一是由于肠道菌群与宿主肠道的相互作用，移植后的宿主肠道环境与原环境有所差异；二是由于肠道细菌间可能会分泌特定的化合物来相互抑制。针对这两大挑战，我们希望通过合成生物学的方法找到一种可行的调控肠道菌群的新方法，即通过调整PolyP的表达来改变肠道细菌的相对丰度。[6][7]
PolyP和氧化应激
PolyP是多聚磷酸盐的简称，是一类由几十个或几百个磷酸盐单体通过类似ATP中的高能磷酸键聚合而成的聚合物。
氧化应激由活性氧产生，对于细菌的生长和繁衍具有不利的影响。氧化应激具有不同的来源，其中一个重要的来源是免疫反应，例如巨噬细胞可以产生一种活性氧因子来杀伤病原微生物。一项针对美莎拉敏的研究发现，作为一种抗菌药物，美莎拉敏可以通过抑制PPK（PolyP激酶）的活性来降低细菌中PolyP的含量从而使细菌对氧化应激更加敏感，进而实现杀菌的作用（图8），这项研究揭示了PolyP可以在一定程度上增加细菌对于氧化应激的抗性。
现有的其他研究也从不同方面探讨了PolyP对于细菌氧化应激的保护作用及其与肠道的互作作用。
一项研究阐述了聚磷酸盐保护细菌免受氧化应激的机制，主要有两种，一是PolyP作为一种分子伴侣与细菌内的蛋白结合，减小氧化应激对细菌的损伤（见下图图一）；二是PolyP可以作为一种金属离子螯合剂，螯合的金属离子可以通过自身化合价的升降参与氧化还原反应，将活性氧因子转变为对细菌无害的物质（见下图图二）。[8]
(图一）
（图二）
同时，外源性PolyP还可以通过整合素β1-caveolin-1内吞途径提升肠上皮的屏障功能，表现出细胞保护作用，可以用于治疗慢性结肠炎[9],[10]。由于慢性结肠炎的发病与致病菌的定植有关，致病菌中内外源PolyP的相互作用也是一个有待探索的问题。
细菌内PolyP的稳态维持主要依赖于两种酶。一是催化polyP合成的酶——PolyP激酶（PPK），二是可以从含有三个或多个磷酸酐键的线性polyP上水解并逐步释放末端磷酸酯的外聚磷酸酶（exopolyPases，PPXs）。
目前为止科学家发现的PPK主要有PPK1和PPK2，其中PPK1是负责从ATP末端磷酸可逆合成PolyP的主要酶，PPK2发现于缺乏PPK1的突变体中，铜绿假单胞菌的PPK2与PPK1有两个主要特征。一是PPK2利用PolyP合成GTP的速率是其逆反应速率的75倍。另一个特征是两种酶对于鸟苷和腺苷核苷酸作为供体和受体的相对选择性不同：在PolyP合成中，PPK2可以以GTP和ATP作为底物，但是PPK1特异性选择ATP为底物。在利用PolyP作为二磷酸核苷的供体时，PPK2使用GDP或ADP，而PPK1优先选择ADP。因此，与PPK1相比，PPK2似乎被设计用于由PolyP合成GTP，而PPK1则倾向于从ATP合成PolyP。[11]
实验构想
根据以上调查，再结合合成生物学相关知识，我们的初步设想为：将PPK靶基因连接到载体上以获得重组质粒，然后将其转移到特定的益生菌群中以达到改善肠道微生物组的组成的目的。
我们的预期结果是未导入质粒的对照组与导入质粒的实验组菌群在丰富度上有明显差异（即导入质粒后丰富度增加，如下图）。
然而，还有一些可能存在的问题是我们在后续实验中需要注意的。PolyP的累积可能导致形成持留菌。持留菌是一类随机进入休眠状态的细菌，在休眠状态中它们具有高度的抗逆性。PolyP被认为与Lon蛋白酶相互作用，刺激了一部分细胞蛋白的消化。这些蛋白质包括II型毒素-抗毒素系统的抗毒素模块。然后，游离毒素（例如HipA，RelE，MazF等）在多种水平上抑制细胞代谢，包括转录，翻译和DNA复制，导致受影响的细胞进入缓慢生长的持久性状态[8]，而PolyP的这种作用是否会影响肠道菌群重要代谢产物的水平和其发挥的功能仍是需要我们探索的。
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