CRISPR-Cas是原核生物基因组内的一段重复序列，它是细菌抵抗病毒等外源遗传物质入侵的获得性免疫系统。利用CRISPR-Cas机制，细菌可以在受到病毒攻击时，将病毒的DNA片段整合到自己的基因组中（CRISPR阵列），从而 "记住"曾经遇到过的病毒，以便在未来能更快速地对付它们。此前，该团队已经基于CRISPR-Cas机制开发了一种用于记录肠道细菌对肠道环境变化做出反应的方法，称为“Record-seq”。在这项新研究中，研究人员进一步完善了Record-seq，并利用大肠杆菌前哨细胞转录记录，无创验证了不同饮食和疾病背景下的小鼠肠道菌群生理学。
首先，他们将名为Fusicatenibacter saccharivorans的细菌CRISPR阵列引入肠道细菌大肠杆菌（Escherichia coli）菌株。在Record-seq-工程大肠杆菌细胞内，转录物被逆转录为DNA，并作为间隔子储存在CRISPR阵列中。这样一来，细菌的基因表达历史就可以通过对宿主粪便样本的DNA测序来进行采样。在实验中，研究人员给小鼠注射了工程大肠杆菌，并在随后收集了动物粪便样本并分离出细菌DNA。然后用高通量DNA测序对其进行分析。在随后的生物信息学评估中，他们可以通过大量的数据来重建mRNA片段的遗传信息。这使研究人员可以以非侵入性的方式确定肠道细菌在体内产生特定mRNA分子的频率，从而确定哪些基因是活跃的。
该研究共同通讯作者、伯尔尼大学医院胃肠病学教授兼主任Andrew Macpherson说：“这种新方法可以让我们在不干扰肠道功能的前提下，直接从肠道获取信息。它比内窥镜具有更大优势。因为内窥镜检查会让患者有不愉快的体验，而且还会干扰肠道功能。”研究人员发现，细菌非常擅长记录环境条件并使其代谢适应饮食变化等。例如，当小鼠的饮食单一（缺乏多样化）时，多种代谢基因的表达会增加。他们假设这些基因允许细菌以宿主的粘膜糖为食，并预测当宿主的饮食受到限制时，缺少这些基因的细菌将处于竞争劣势。随后，研究人员通过实验验证了这一点。
总之，该团队利用这种特殊的记录工具研究了大肠杆菌适应不同宿主饮食、与其他细菌共生、细菌基因缺失和宿主炎症的机制。研究人员表示，这些发现可以用来设计基于适合宿主饮食的细菌干预措施，或调整宿主饮食，以允许某些细菌茁壮成长。该团队希望进一步扩展这种方法，以便有一天可以用于研究人类患者，观察饮食如何影响肠道生态系统，进而如何影响健康。另一个研究方向是区分小肠和大肠中细菌的RNA谱。此外，数据记录器的功能还可以整合到其他种类的细菌中，这将为环境监测应用打开大门，例如，对农作物的土壤细菌进行分析，以确定是否使用了除草剂。目前，该团队已经为这种方法和基于特定营养分子的肠道健康特征性RNA谱提交了专利申请。研究人员表示，由于细菌已经过基因改造，在这种传感器细菌能够在实验室外使用，或用于人类受试者之前，仍然需要澄清各种安全和法律问题。Macpherson说：“原则上，只要满足某些条件，就有办法将活的基因工程细菌用作医学诊断或治疗剂。例如，可以修饰传感器细菌，使其需要特定的营养物质，因此它们只能在患者的肠道内存活。一旦这种特定细菌离开肠道，它们就会死亡。因此，整合合适的安全机制是下一步工作，以便为这种新方法在医学上应用铺平道路。”
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