2024-SERENE 快樂益生菌
為什麼我們選擇解決負面情緒？
憂鬱症是一種長期的心理健康狀況，會導致無法控制的負面情緒、睡眠障礙、身體問題，甚至產生死亡的念頭。
嚴重憂鬱症不僅是個人問題，而且對人際關係和社會也有重大影響。
根據世界衛生組織（WHO）2023年發起的全球調查顯示，全球有280萬人患有憂鬱症，憂鬱症患者人數逐年成長（世界衛生組織，2023）。
同樣，美國民意研究所進行的一項調查表明，越來越多的人正在經歷負面情緒，如圖1所示（蓋洛普，2023）。
根據他們的報告，從 2006 年到 2022 年，全球經歷負面情緒的人口比例上升了 9%。
此外，一項針對老年憂鬱症患者的研究表明，減少負面情緒可以顯著緩解憂鬱症的非情緒症狀，從而減少憂鬱症的負面影響（Arslanoglou E., et al. 2019）。
因此，今年CCU-台灣iGEM團隊選擇解決長期負面情緒的問題，進而緩解憂鬱症及其嚴重後果。
當前的挑戰
首先，我們採訪了專門從事憂鬱症心理治療和壓力管理的臨床心理學家張敏祥，並進行了街頭調查，以更好地了解有關負面情緒的問題。
這位心理學家指出，雖然許多人認為自己熟悉自己的情緒，但他們往往缺乏真正的意識。
我們的調查也顯示，人們更喜歡更方便的方法來管理壓力和緩解負面情緒。
基於這些見解，我們開發了一種綜合方法，重點關注兩個關鍵領域：提高情緒覺察和提供更方便、更容易的方法來改善情緒。
情緒覺察
為了讓情緒意識更容易獲得，我們開發了一款壓力檢測和管理應用程式。
無需穿戴式裝置；只需將手指放在手機的手電筒和相機上即可測量壓力。
透過指尖照射光線並觀察血液流動引起的微妙顏色變化，我們可以測量心率活力（HRV），以幫助人們檢測他們當前的情緒狀態。
便利的快樂益生菌
5-羥基色氨酸(5-HTP) 是一種天然化合物，是血清素的前體，而血清素是一種對調節情緒、睡眠和食慾至關重要的神經傳導物質(Maffei, M. E , 2021)。
含有 5-HTP 的補充劑通常用於透過增加大腦中的血清素水平來緩解憂鬱、焦慮和失眠的症狀（Turner, E. H., et al. 2005）。
我們的計畫旨在透過基因改造益生菌 Nissle 1917 (EcN) 以直接在腸道中產生 5-HTP，從而徹底改變血清素補充劑。
產生的 5-HTP 將從腸道經由血流到達大腦並轉化為血清素。透過增強腸道局部 5-HTP 合成，我們的基因改造 EcN 可以為改善心理健康提供可靠且易於使用的選擇。
在血清素生物合成途徑中，色氨酸羥化酶 (TPH) 催化 L-色氨酸形成 5-HTP (Wang H, et al., 2018)。
TPH 將分子氧中的一個氧原子結合到底物中，並將另一個原子還原為水。還原所需的兩個電子由四氫生物蝶呤 (BH4) 氧化成 BH4-4a-甲醇胺提供。
BH4-4a-甲醇胺再生 BH4 是由蝶呤-4a-甲醇胺脫水酶 (PCD) 和二氫蝶啶還原酶 (DHPR) 介導的（Pribat 等人，2010）。
因此，我們將透過多蛋白表達載體pST39 ，表達單體人類色氨酸羥化酶1 (m-hTPH1) 蛋白、人類蝶呤-4a-甲醇胺脫水酶(hPCBD1) 蛋白和人類q-二氫蝶啶還原酶(hQDPR) 蛋白。
為了增強 5-HTP 的產生，我們應用了 DNA 支架，使 m-hTPH1、hPCDB1 和 hQDPR 酶在物理上非常接近。
因此，我們將鋅指結合域 Zif268、PBSII 和 ZFa 分別與 m-hTPH1、hPCDB1 和 hQDPR 酶融合（Raschellà G 等，2017）。
每個鋅指結合域的相應結合基序將位於 DNA 支架上（DeLisa M. P. 等人，2012）。
為了在 EcN 中產生足夠的 DNA 支架用於組裝，我們應用滾環複製 (RCR) 機制來產生含有與結合基序互補的序列的環狀單股 DNA (ssDNA)。
由此產生的環狀 ssDNA 將透過序列互補自動形成 DNA 支架。
為了調節 DNA 支架的形成，我們應用原兒茶酸 (PCA) 誘導啟動子 pPCA 來控制 RepA（RCR 中的複製起始蛋白）的表達。
總之，這將在 EcN 中建構 PCA 促進的 5-HTP 生物合成途徑。
總結
CCU-Taiwan 的核心目標是透過提供全面的方法來解決日益嚴重的負面情緒問題。
我們對益生菌 EcN 進行基因改造，在腸道中產生 5-HTP，為當前補充劑提供可持續且易於使用的替代品。
我們的方法利用 DNA 介導的生物合成途徑優化 5-HTP 合成，並透過創新的可食用飲料薄膜將此解決方案融入日常生活中。
除了合成生物學策略之外，我們還開發了一個應用程式來幫助人們監測他們的壓力水平。
我們透過為老年人提供免費擁抱和活動來促進心理健康和社會聯繫。
透過我們的項目，我們希望透過產生 5-HTP 的益生菌來消除負面情緒，並提供一個全面、易於使用的解決方案，對全球心理健康產生重大影響。