物质学院钟超课题组开发出可编程可3D打印的生物被膜活体功能材料

ON2018-12-04文章来源 物质科学与技术学院/科技发展处CATEGORY新闻

我校物质学院钟超教授课题组在开发活体功能材料方面取得了重要进展。北京时间2018年12月4日,相关成果以“Programmable and printable Bacillus subtilisbiofilms as engineered living materials”为题,在国际著名学术期刊《Nature Chemical Biology》(自然·化学生物学)在线发表。

细菌生物被膜通常由细菌及其胞外分泌物质(如蛋白质、多糖、DNA)组成。近年来,基于大肠杆菌的可编程生物被膜被当成一种具有活体特征的功能材料(living functional materials)来应用,表现出很多传统材料不具备的性能,如可基因编程、多功能、环境响应、自适应性以及可进化等特征。钟超课题组前期已证明,光感应细菌生物被膜可应用于动态自组装材料领域,能将溶液中悬浮的无机纳米颗粒按预先设定的方式有序地组装无机纳米颗粒和相应的电子装置(http://www.shanghaitech.edu.cn/2018/0425/c1001a22039/page.htm)。然而,由于大肠杆菌自身的蛋白分泌能力不足以及潜在的安全性等问题,基于大肠杆菌生物被膜活体功能材料的开发和应用受到了严重限制。

针对当前大肠杆菌生物被膜活体材料存在的潜在问题,研究人员在这项研究中理性选择了枯草芽孢杆菌作为工程改造对象。枯草芽孢杆菌是一种革兰氏阳性菌,只有一层细胞壁,因其强大的分泌能力在食品和制药工业中被广泛采用,同时这种细菌也是一种被FDA认为安全的菌种,因此理论上其蛋白分泌能力和安全性要比一般的大肠杆菌优越不少。研究人员利用合成生物学和材料科学交叉手段,首次成功搭建和表征了基于枯草芽孢杆菌TasA淀粉样蛋白的活体生物被膜材料。

研究团队首先采用基因工程手段将不同功能的蛋白或结构域通过TasA融合表达并分泌,验证了融合不同结构域的TasA淀粉样蛋白都可以被表达、胞外分泌并在细菌周边自组装形成具有不同功能的胞外纳米纤维。为了证明这个活体材料平台的应用前景,研究人员将融合了特定功能酶的枯草芽孢杆菌生物被膜和铆钉在生物被膜上的金纳米颗粒相结合,设计出新型的杂化催化级联反应,并将此级联反应用于环境生物修复,能将剧毒的有机磷农药最终降解为低毒害化学品。这种活体细胞/无机杂化催化体系的建立为活体功能材料在生物修复、人工光合等方面的应用提供了很好的示范作用。

钟超课题组进一步发现,利用基因工程不仅能改变枯草芽孢杆菌生物被膜的成份及生化功能,还能进一步调节生物被膜本身的机械性能(比如粘弹性)和物化性质(比如亲疏水性)。被改造后的生物被膜展现出更适宜生物制造的凝胶胶体性质,可以通过3D打印精确地制成不同的三维形状。实验证明,这些活体材料不仅本身可以直接3D打印,还可以与量子点混合打印,打印成型的活体材料在水凝胶中能感应溶液中的外界信号发出荧光,可以用作生物传感器。生物被膜展现出来的这些机械性质,对于未来不同用途的生物制造以及更安全包装活细菌材料来说更具价值。值得一提的是,作为活体材料,这些工程改造后的生物被膜即使被长期储存,仍具有自我再生的特性,并具有传代后仍保留原有物理和机械性质的特征。因此展现出传统材料不具有的“活体”特征。这项研究将为活体功能材料的应用拓宽思路。

本文第一作者为物质学院助理研究员黄娇芳博士、2015级博士生刘苏莹和2015级硕士生张琛。钟超为通讯作者,上科大为第一完成单位。该研究得到了上海市科委-基础研究重点项目(合成生物学专项)、国家自然科学基金、青岛海洋科学与技术国家实验室-2016年度开放基金、上科大科研启动基金等项目的支持。

该课题中原始菌株来自美国印第安纳大学D. Kearns课题组的馈赠。课题在开展过程中,得到了华东师范大学叶海峰教授、中科院上海应物所樊春海教授(现上海交通大学)以及美国麻省理工学院Timothy K. Lu教授及课题组成员的帮助。透射电镜和荧光显微镜表征分别获得国家蛋白质中心和上科大生命学院成像平台以及物质学院分析测试平台的帮助。与本论文相关的工作已申请中国和国际专利(CN/201611156490.X和PCT/CN2018/100538)。

注:活体功能材料是合成生物学和材料科学交叉领域的新兴研究方向(emerging field),早在2018年3月,Nature系列杂志专栏作家Philip Ball曾受美国材料协会(Materials Research Society) 邀请,关于这一方向对全球活跃的研究人员进行专访并在其会刊MRS Bulletin发表一篇领域综述和展望文章(Ball, P. Synthetic biology—Engineering nature to make materials. MRS Bulletin 43, 477-484 (2018))。钟老师作为领域的代表就生物被膜活体功能材料的发展发表了个人见解,而当前这篇文章的发表正代表了国际上这一新兴领域迅速发展的一个缩影。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41589-018-0169-2

图1.可编程可打印的枯草芽孢杆菌生物被膜活体材料示意图。

图2.可以3D打印的基因工程改造的生物被膜。

图3.可3D打印并可感应信号及再生(Regeneration)的生物被膜。

图4.第一作者和通讯作者钟超教授合影(从左至右:刘苏莹、钟超、黄娇芳、张琛)