活细菌化学在生物医学中的应用
背景介绍
活体细菌在生物医学领域的应用近年来引起了广泛关注。传统上，细菌被视为病原体，需要被消除。然而，随着现代细菌学的发展，人们逐渐认识到细菌与人体共生的复杂性及其在治疗、诊断和药物递送中的独特潜力。尽管化学工程为增强生物安全性和改善治疗效果提供了创新思路，但活体细菌在精准医学中的全面应用仍面临重大挑战。特别是，活体细菌进入人体后的命运、其生物过程的复杂性以及个体化治疗的多样性，都是亟待解决的问题。此外，人工智能和机器学习技术的引入，为设计和预测活体细菌与人体相互作用提供了新的可能性。
论文来源
这篇题为《Live Bacterial Chemistry in Biomedicine》的论文由来自哈佛医学院布莱根妇女医院纳米医学中心的Senfeng Zhao、Qian Chen、Qimanguli Saiding等作者共同撰写。论文于2025年4月4日发表在《Chem》期刊上，DOI为10.1016/j.chempr.2025.102436。
论文主要内容
1. 活体细菌化学的可编程性
论文首先总结了活体细菌化学的可编程性及其在生物医学中的应用。活体细菌的表面结构和化学成分是其与外部环境相互作用的主要位点，因此成为化学工程修饰的主要目标。作者详细讨论了非共价和共价相互作用在活体细菌表面化学中的应用，包括静电相互作用、氢键、疏水相互作用等。这些方法虽然简单灵活，但缺乏特异性。相比之下，共价相互作用（如NHS酯偶联反应、亚胺酯反应等）具有更高的稳定性和选择性，尽管需要更复杂的反应条件。
2. 活体细菌基因化学
基因工程技术的进步为活体细菌在生物医学中的应用开辟了新途径。论文介绍了基于生物学和物理学的基因工程方法，如CRISPR-Cas系统、转录激活因子样效应物核酸酶（TALENs）和锌指核酸酶（ZFNs）。此外，化学方法如碱基编辑和表观遗传修饰也为基因编程提供了新的视角。碱基编辑技术通过化学转换碱基对，实现了对基因信息的精确修改，而表观遗传修饰则通过甲基化和硫代磷酸酯修饰改变了基因的表达模式。
3. 活体细菌的其他化学修饰
除了表面和基因化学，论文还讨论了细胞内凝胶化介导的“半机械人”细菌（cyborg bacteria）。通过将小分子或聚合物单体引入细菌细胞质，并在细胞内形成水凝胶基质，可以增强细菌的物理刚性，抑制其分裂能力，从而减少在体内的安全风险。这些“半机械人”细菌保留了分泌功能代谢物的能力，为生物医学应用提供了新的可能性。
4. 人工智能与机器学习的应用
论文指出，人工智能（AI）和机器学习（ML）技术有望彻底改变化学工程细菌的设计，并为活体细菌治疗的发展提供实质性进展。通过分析活体细菌蛋白质、基因序列等大数据集，AI和ML可以更合理地预测新的化学修饰策略，并提高修饰的准确性和效率。此外，AI框架还可以帮助分析患者特异性数据，智能定制活体细菌的功能和行为，实现个性化精准治疗。
5. 活体细菌在生物医学中的应用
论文总结了化学工程修饰赋予活体细菌的物理、化学和生物学特性及其在癌症治疗、口腔疾病治疗、组织再生、肠道疾病治疗、脑部疾病治疗、抗菌、炎症疾病治疗、疾病诊断、肾脏疾病治疗以及急慢性中毒中的主要应用。例如，通过将纳米材料修饰到活体细菌表面，可以构建对外部物理刺激响应的生物混合系统，实现体内控制的生物医学功能。此外，化学修饰还可以增强活体细菌的肠道定植能力，提高治疗效果。
论文的意义与价值
这篇论文系统总结了活体细菌化学的最新进展及其在生物医学中的应用，为未来活体细菌治疗的临床转化提供了重要的理论支持和技术指导。通过化学工程修饰，活体细菌不仅可以增强其生物医学功能，还可以提高其在体内的安全性和稳定性。此外，AI和ML技术的引入为活体细菌的个性化治疗提供了新的可能性。尽管活体细菌在生物医学中的应用仍面临诸多挑战，但其前景无疑是光明的，有望为未来的创新治疗方法开辟新的道路。
亮点总结
- 可编程性：论文详细讨论了活体细菌表面和基因化学的可编程性，为非共价和共价相互作用的生物医学应用提供了新的思路。
- 基因编辑：碱基编辑和表观遗传修饰技术的引入，为活体细菌基因编程提供了精确的工具。
- 半机械人细菌：细胞内凝胶化介导的“半机械人”细菌为活体细菌的安全性和功能性提供了新的解决方案。
- AI与ML的应用：人工智能和机器学习技术的应用，为活体细菌的个性化治疗和精准医学提供了新的可能性。
- 广泛的应用前景：化学工程修饰的活体细菌在癌症治疗、肠道疾病治疗等多个领域展现了巨大的应用潜力。
这篇论文不仅为活体细菌在生物医学中的应用提供了全面的理论支持，还为未来的研究和临床转化指明了方向。