一束光如何“驯化”大肠杆菌—新闻—科学网

 
作者:袁一雪 来源:中国科学报 发布时间:2018/5/11 8:59:24
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一束光如何“驯化”大肠杆菌

 



 

经过改造和修饰的大肠杆菌“改头换面”,不再是人体内的菌群,而成了听从人类指挥的“员工”。

■本报记者 袁一雪

近日,上海科技大学物质学院材料与物理生物学研究部教授钟超课题组就利用基因改造后的大肠杆菌,通过蓝光控制,将纳米级的量子点或其他无机材料均匀地涂在衬底上。这一研究成果在线发表在国际知名学术期刊Advanced Materials上。

“听话”的大肠杆菌

选择大肠杆菌的原因,是因为它的生物膜是目前研究得最清楚的模式微生物,其基因和分泌机制都已经被阐述,并且已有的工作已经证明其基因可以被编辑。

“大肠杆菌生物被膜的主要成分是卷曲纤毛纤维,其主要成分是通过大肠杆菌分泌的CsgA蛋白亚基自组装而成。”钟超在接受《中国科学报》记者采访时解释说。从性质上来看,大肠杆菌非常稳定,强酸强碱和高温都不会破坏它的结构;从生存角度来看,生物膜具备非常强的内在黏合力,可以黏附在各种材料的表面,“这些都为我们的研究提供了基础”。

不过,给大肠杆菌“动手术”修改基因,并不是件容易的事,因为大肠杆菌是杆状的细菌,单个细菌的长度在2~3 微米,而宽度仅为1 微米左右。钟超课题组的研究人员利用合成生物学技术,对大肠杆菌的生物被膜淀粉样蛋白基因批量进行改造。

在改造过程中,研究人员首先将大肠杆菌生物被膜CsgA蛋白分泌基因,变为可由蓝光调控的CsgA蛋白表达和分泌的基因环路;然后对其进行修饰,让CsgA蛋白可以识别、结合经过化学小分子配体修饰的无机纳米材料。这些无机纳米材料就是被“涂抹”在衬底的涂层材料。

经过改造和修饰的大肠杆菌“改头换面”,不再是人体内的菌群,而成了听从人类指挥的“员工”。研究人员只需要通过蓝光或小分子的诱导,就可以让它们分泌CsgA蛋白生物膜。组成生物膜的是一个个纤维,每一个纤维的亚单位,即CsgA蛋白识别一个纳米颗粒。然后被CsgA蛋白“串起”的纳米颗粒会依托生物膜的黏性,自然地附着在衬底表面。

因为在蓝光中大肠杆菌才会分泌CsgA蛋白,所以想要什么图案只需要控制蓝光或小分子等诱导因素的走向就可以引导大肠杆菌完成工作。同样,一旦蓝光消失,大肠杆菌也会终止CsgA蛋白的分泌。

经过试验,这些大肠杆菌已经在研究人员手中完成了一个各种不同的基本形状(如三角形和五角星等)和一个上海科技大学的logo的图案。“上海科技大学的logo是一个平面结构,但是有一定的厚度,我们提供了一种新型方法,相较于传统方法来说操作更加简单,可能实用的范畴与传统的方法相比不仅仅限于二维平面,也适用于三维不规则的界面和曲面。”钟超表示。

而且,经由大肠杆菌形成的生物膜相当稳定,如果是在4℃的冰箱里保存,可以存活至少一个月之久。“更重要的是,大肠杆菌基因编辑之后就携带了基因工程的质粒,可以一直使用下去。”钟超补充说。

传统方法的补充

钟超课题组的研究内容属于合成生物学,这一概念是2000年科学家在美国化学年会上提出的,是指人们将“基因”连接成网络,让细胞来完成设计人员设想的各种任务。例如把网络同简单的细胞相结合,可提高生物传感性,帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置。其实在自然界中,这种生物动态自组装就普遍存在,比如骨和贝壳等自然材料系统就是在细胞的参与下,对有机和无机组进行动态自组装而形成。这些自然材料体系的很多材料性能都远优于人工合成的材料。

而在合成生物技术之前,无机纳米材料涂层领域一般采用的传统的工业制造技术是光刻、磁控溅射、蒸镀等方法。“相对于传统方法,大肠杆菌的合成生物技术目前还达不到传统工艺的精度。”钟超坦言,因为传统的光刻胶工艺的分辨率主要是基于用于光刻的光束的分辨率,但是钟超课题组需要通过细菌分泌生物膜并进行纳米材料的布阵,而细菌本身就已经有2 微米的尺寸,所以工艺本身的分辨率受限于细菌本身的尺寸。

虽然存在不完美,但是新技术的优势也不容小觑。“我们的涂层相较于传统的旋涂方法,可以在曲面和不规则的物体上形成涂层。”钟超说。这对于传统技术来说是一种补充和借鉴,对发展新型的涂层技术有参考意义。而且,因为大肠杆菌分泌的CsgA蛋白生物膜具有超强的黏附性,即使在最“光滑”的“不粘锅”涂层——特氟龙(聚四氟乙烯,PTFE)上,也可以形成薄薄的生物被膜。在显微镜下,可以看到无机纳米材料被大肠杆菌排列得非常整齐。更有趣的是,人们需要什么颜色只需要添加这种颜色的无机纳米材料即可得到需要的颜色。

应用领域更广

当下,利用合成生物技术工程改造生物被膜技术是不少国际研究团队的研究项目。“美国斯坦福大学生物工程系的一个团队在我们的文章接受一个月之后,在PNAS杂志发表了一篇关于利用光控布阵生物被膜技术的文章,虽然他们的研究没有涉及到材料应用,但是用到的生物概念和技术非常类似。”钟超感慨道,“我们的研究能更早发出来,同时我们早在一年以前就已经申请了相关专利,从这些方面看,我们应该是非常幸运了。”

除了来自外部的压力,钟超课题组也需要克服来自这项研究本身的困难。因为与国内外的合成生物技术相比,他们更偏向材料和纳米应用的交叉学科。所以在研究过程中,他们不单只是对生物方面进行改造,还包括无机材料的配体交换、光控基因电路的构建,以及光控装置的搭建等领域。每一个领域都是研究人员面临的挑战。

谈及未来,钟超很乐观,因为基于大肠杆菌只要有少量营养就能生存并生长生物被膜,因此大规模生产是非常容易的。论文发表后,他们将继续深入研究搭建的平台的应用,这项研究可以用于人工光合作用体系的构建和环境污染物的降解方面。“比如纳米材料其催化性能优异,如何对纳米催化剂进行回收,避免造成二次污染是一个很重要的方面,期望利用我们的生物被膜方法,实现纳米催化剂的回收,防止二次污染。”

《中国科学报》 (2018-05-11 第3版 科普)
 
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2018/5/20 15:37:44 ncgq4112
单个专利作用不大,需要一系列的相关专利组合套才能保护核心技术。
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