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灣區逐夢 | 黃術強:跨界玩轉,尋找超級耐藥菌“克星”

時間:2019-08-24  來源:深圳商報記者 袁斯茹 文本大小:【 |  | 】  【打印

  【慶祝新中國成立70周年,獻禮中科院建院70周年,深圳先進院推出“引領科學風尚 傳承科學精神”系列人物報道,樹立先進典型,凝聚榜樣力量,講述科技工作者的精彩故事及取得的最新成果,弘揚他們胸懷祖國、服務人民的愛國精神,勇攀高峰、敢為人先的創新精神,追求真理、嚴謹治學的求實精神,淡泊名利、潛心研究的奉獻精神,集智攻關、團結協作的協同精神,甘為人梯、獎掖后學的育人精神。】 

 

  抗生素被認為是對抗細菌感染的利器,但由于近些年的藥物濫用,出現了越來越多的耐藥菌,甚至是能抵御所有臨床抗生素的“超級細菌”。并且,這些耐藥菌的產生速度,遠高于抗生素的新藥研發速度。在中國科學院深圳先進技術研究院,有一支合成生物學研究團隊,正在尋找超級細菌的新“克星”。

  深圳先進院合成所(籌)研究員黃術強是該團隊核心成員之一,他們聚焦細菌耐藥性機制的產生和傳播,并嘗試用改造甚至是人工合成的益生菌和噬菌體,輔助或部分替代抗生素,治療耐藥菌感染,“我們希望用改造甚至是全合成的方法,像生產抗生素一樣,對噬菌體進行重新合成和生產”。

深圳先進院合成所(籌)研究員黃術強 

  培養益生菌 尋找噬菌體 

  合成生物學是本世紀發展起來的新興交叉學科,通過從下往上的方式合成全新生命體或改進已有生命體,使其具備新功能或增強已有功能。“我們的主要方向是進一步探索細菌的耐藥性機制,并過合成生物學手段改進益生菌和噬菌體,進行細菌耐藥性的對抗性策略研究。”黃術強說。

  益生菌是人體內大量存在的有益微生物。已有研究表明,細菌生物膜的形成是導致抗生素耐藥性產生的重要機制之一,而益生菌可以減少生物膜的形成,從而降低病原菌的耐藥性。

 

益生菌是腸道內的清道夫,同時也可抑制耐藥菌生長(圖片來自網絡) 

  “益生菌信號通路復雜,因此需要構建一個共培養體系,為深入研究信號分子如何干擾生物膜提供實驗模型。”黃術強的團隊正在搭建這樣的體系。 

  不同于益生菌,噬菌體廣泛存在于自然界中,它們是比細菌還小的病毒,可鉆進特定細菌體內破壞其新陳代謝,并導致細菌自毀直至瓦解,可以說是細菌的“天敵”。

  黃術強介紹,比起抗生素的廣譜性,噬菌體更加“專一”,一種噬菌體通常只能對付一種特定細菌,對人體內其它菌群幾乎沒有影響,因此副作用較小。

 

噬菌體形象模擬圖(來源:《麻省理工技術評論》) 

  此外,噬菌體可依靠體內宿主進行復制,因此僅需很小的劑量即可達到治療目的。并且,它們會隨著致病菌的變異,產生能裂解突變細菌的新噬菌體。 

  “目前,我們團隊通過對M-13噬菌體的研究發現,個別噬菌體雖然不能直接殺死細菌,但是通過與抗生素的協同作用,可大大降低細菌耐藥性的產生。尤其通過合成生物學方法進一步改造后,噬菌體與抗生素的聯用可能成為對抗細菌耐藥性的新方法。”黃術強分享道。

  合成生物學團隊:一幅交叉學科的“拼圖” 

  2012年,黃術強進入美國杜克大學生物醫藥工程學院進行博士后研究,這也是他邁入合成生物學領域的開端。此前,他在中科院大連化學物理研究所的博士方向是微流控技術的方法學研究

  加入杜克大學團隊后,他充分發揮微流控技術的特長,和團隊共同探索合成生物學中細菌的生長和調控機理,相關成果隨后發表在國際頂級期刊《自然》(Nature)上。

  在研究中,黃術強很快找到了合成生物學研究的樂趣所在,并發現它和微流控學科非常互補。據了解,微流控是利用對微尺度下流體的控制,將大的實驗室縮小到小芯片上的技術,可用于有機合成、微反應器和化學分析等。

 

黃術強在深圳先進院微流控潔凈實驗室 

  “一根頭發絲大約100微米,而一個細菌的大小只有頭發絲的1%左右,體積十分微小。在這種情況下,要研究病毒或抗菌藥物對細菌的影響,就必須在方法上創新,微流控技術很適用于以上場景。”黃術強說。 

  在目前的研究中,黃術強團隊就是以微流控為技術平臺,嘗試從單細胞、簡單群落和復雜群落的不同尺度下,解答與細菌耐藥性相關的諸多科學問題,并結合益生菌和噬菌體的改造及合成,進行耐藥性的對抗性策略研究。 

  在深圳先進院的合成生物團隊中,還有很多像黃術強這樣的“跨界高手”,“我們有微生物、基因組學、蛋白質組學、生物材料和生物信息學等多個學科背景的研究員,實現優勢互補,共同完成合成生物學這幅‘大拼圖’。”黃術強說。

 

 深圳先進院合成所(籌)團隊擁有多學科交叉融合背景 

  大設施將帶來革命性幫助 

  雖然將益生菌和噬菌體作為新治療方法,潛力無限,但所需工作量巨大。以尋找噬菌體為例,黃術強將這一工作形容為“大海撈針”。

  “噬菌體廣泛存在于自然界,泥土、河水、新生兒糞便中都有可能找到,而找到不同細菌對應的噬菌體,其難度可想而知。”黃術強說,“事實上,在合成生物學領域,由于合成生命體的高度復雜性,決定了其需要海量的工程化試錯性實驗,即需要快速、低成本、多循環地完成‘設計-合成-測試-學習’這一閉環,最終實現理性可預測的設計合成。這遠遠超出了傳統勞動密集型生物學研究方式的能力范疇。”

  對于未來進展,黃術強認為革命性改變就在眼前,那就是深圳市光明區科學城啟動籌建的合成生物研究重大科技基礎設施(簡稱“大設施”)。 

 

“大設施”將落戶的光明科學城設計圖 

  據悉,大設施是在深圳市政府的決策部署與資源大力支持下,由深圳先進院牽頭建設,旨在打造一個針對人工生命體智能化設計及自動化鑄造的基礎大平臺,縮短人工生命體的“設計-合成-測試-學習”周期。對于大設施,黃術強充滿期待,“以后我們的研究中將減少很多重復勞動,找到高效噬菌體的速度會大大提升”。 

   

  中共黨員黃術強:作為黨員,在科研工作中也應不忘初心,牢記使命。通過不斷創新進取,砥礪前行,為國家科技事業的快速發展作出應有的貢獻。 

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