作者:刁雯蕙 来源: 中国科学报 发布时间:2023-11-30
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“活材料”快速开发有了新范式

 

本报讯(记者刁雯蕙)近日,中国科学院深圳先进技术研究院研究员钟超课题组、研究员周佳海课题组与深圳未知君生物科技有限公司团队合作,结合生物信息学、结构生物学和合成生物学的技术方法,实现了对合成特定生物聚合物菌株的高通量挖掘和筛选、生物聚合物组装机制的解析以及新型“活材料”的理性设计,搭建出快速开发新型“活材料”的信息技术(IT)+生物技术(BT)的新范式。相关研究近日发表于《自然-化学生物学》。

工程“活材料”领域,是合成生物学与材料科学领域交叉发展衍生出的新兴领域。自组装的活体功能材料是当前“活材料”的重要组成部分,它由细胞和其自编程的生物聚合物共同组成。自组装的活体功能材料具有自生长、自适应、可进化等“活”的生命属性,并在生物传感、生物修复、疾病治疗和智能材料制备等领域展现出广阔的发展前景。然而,在当前自组装的活体功能材料开发中,具有可编程生物聚合物基元的底盘细胞匮乏,使构筑具有更多功能且满足不同应用场景需要的微生物“活材料”受限,成为阻碍工程“活材料”领域进一步发展的重要因素。

为了解决上述问题,研究团队首先开发了软件BBSniffer,挖掘自然界中可合成特定生物聚合物的菌株,并为使用者推荐可用于工程化新型“活材料”的底盘细胞。以共价交联型菌毛(Spa菌毛)为例,研究团队根据BBSniffer生成的候选菌株列表,选取易培养且基因组可编辑的工业菌株谷氨酸棒状杆菌,作为下一步开发基于Spa菌毛的新型微生物“活材料”的底盘细胞。

以BBSniffer推荐的工业菌株谷氨酸棒状杆菌为研究对象,通过基因敲除和形貌表征的方法,研究人员揭示了该菌株中Spa菌毛由次要蛋白Spa1、Spa2和骨架蛋白Spa2共同组成。

通过质谱鉴定,研究团队揭示了分选酶催化Spa2单体间缩合,形成分子间的异肽键,实现骨架蛋白单体间的聚合,并在此基础上,对Spa菌毛的骨架蛋白Spa2进行理性设计,构建出了基于Spa菌毛的新型可编程细胞外蛋白质支架。此外,研究者通过结合工程细胞具备的细胞外降解纤维素为葡萄糖的能力,以及细胞内转化葡萄糖为高附加值化合物的能力,构筑出可将废弃物转化为高附加值化合物的新型活体功能材料。

“利用IT,我们实现了对自然界中生产生物聚合物菌株的挖掘、分类以及分析,可以快速找到易工程化的非致病菌株作为新型‘活材料’的底盘细胞;利用BT,则实现了对挖掘到的底盘细胞中生物聚合物机制的解析,推进可编程生物聚合物的设计,并实现新型‘活材料’的快速构筑。”论文共同通讯作者钟超表示,该研究将加速新型“活材料”的开发。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41589-023-01489-x

《中国科学报》 (2023-11-30 第1版 要闻)
 
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