Nature Chemical Biology | 新型“活材料”設(shè)計(jì)的“IT+BT”新范式
11月27日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所鐘超課題組、周佳海課題組與深圳未知君譚驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作在Nature Chemical Biology上發(fā)表設(shè)計(jì)新型“活材料”的“IT+BT”新范式,題為Accelerating the design of pili-enabled living materials using an integrative technological workflow。該工作通過聯(lián)合生物信息學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和合成生物學(xué)的技術(shù)方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)合成特定生物聚合物菌株的高通量挖掘和篩選、生物聚合物組裝機(jī)制的解析以及新型“活材料”的理性設(shè)計(jì),搭建出快速開發(fā)新型“活材料”的“IT+BT”新范式(圖1)。中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院黃園園助理研究員為本文第一作者,中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鐘超研究員、周佳海研究員和未知君的譚驗(yàn)博士為文章共同通訊作者。另外深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的科研助理吳彥霏和博士生王杰,深圳未知君的胡函博士和童邦卓工程師,深圳先進(jìn)技術(shù)研究院李楠研究員團(tuán)隊(duì),上海蛋白質(zhì)中心的彭超研究員和殷躍以及鐘超研究員團(tuán)隊(duì)的其他同學(xué)也對(duì)該工作也做出了重要貢獻(xiàn)。
工程“活材料”(ELMs),是合成生物學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域交叉發(fā)展衍生出的新興領(lǐng)域。自組裝的活體功能材料是當(dāng)前”活材料”的重要組成部分,它由細(xì)胞和其自編程的生物聚合物共同組成。自組裝的活體功能材料具有自生長(zhǎng)、自適應(yīng)、可進(jìn)化等“活”的生命屬性,并在生物傳感、生物修復(fù)、疾病治療和智能材料制備等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。然而,在當(dāng)前自組裝的活體功能材料的開發(fā)中,具有可編程生物聚合物基元的底盤細(xì)胞匱乏,使構(gòu)筑具有更多功能且能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的微生物“活材料”受限,并成為阻礙ELMs領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。
為了解決上述瓶頸,首先鐘超研究團(tuán)隊(duì)與深圳未知君譚驗(yàn)博士團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)出了軟件BBSniffer(圖2),用于挖掘自然界中具有合成特定生物聚合物菌株,并為用戶推薦出可用于下一步工程新型“活材料”的底盤細(xì)胞。用戶僅需在軟件中輸入感興趣的生物聚合物(包括蛋白質(zhì)、多糖和其他生物聚合物)相關(guān)的專業(yè)術(shù)語,BBSniffer就可以從龐大的細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)庫中,搜索出合成相關(guān)生物聚合物基因簇的所有菌株,并通過軟件內(nèi)置的細(xì)菌分類數(shù)據(jù)庫對(duì)菌株進(jìn)行致病菌、工業(yè)菌株和其它菌株的分類及打分后,便可為用戶生成用于下一步工程新型“活材料”的候選菌株參考列表。
研究團(tuán)隊(duì)以“共價(jià)交聯(lián)型菌毛”作為示例,對(duì)自然界中合成此類蛋白質(zhì)纖維的菌株進(jìn)行篩選和分類后,挖掘出102株工業(yè)菌株中具有合成共價(jià)交聯(lián)行菌毛的基因簇;通過對(duì)挖掘到的工業(yè)菌株進(jìn)行進(jìn)化樹分析后,生成相對(duì)于參考菌株(研究共價(jià)交聯(lián)型菌毛中的模式菌株,致病菌白喉?xiàng)U菌)的親緣關(guān)系距離打分文件;根據(jù)距離打分文件, BBSniffer生成包含有候選菌株培養(yǎng)條件、是否可編輯等信息的打分列表。研究者根據(jù)BBSniffer生成的候選菌株列表,選取易培養(yǎng)且基因組可編輯的工業(yè)菌株谷氨酸棒狀桿菌ATCC14067,作為下一步開發(fā)基于共價(jià)交聯(lián)型菌毛的新型微生物“活材料”的底盤細(xì)胞。
新型生物聚合物的組裝機(jī)制解析對(duì)其進(jìn)一步的工程改造有著非常重要的意義。因此,研究者以BBSniffer推薦的工業(yè)菌株谷氨酸棒狀桿菌作為研究對(duì)象,通過基因敲除和形貌表征的方法,揭示了BBSniffer挖掘出的谷氨酸棒狀桿菌中共價(jià)交聯(lián)型菌毛(Spa菌毛)是由次要蛋白Spa1,Spa2和骨架蛋白Spa2共同組成。然后通過質(zhì)譜鑒定,揭示了分選酶催化Spa2單體間縮合,形成分子間的異肽鍵,實(shí)現(xiàn)骨架蛋白單體間的聚合。此外,通過聯(lián)合質(zhì)譜鑒定、X-ray晶體衍射技術(shù)和體內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),揭示了Spa2蛋白單體內(nèi)的三對(duì)分子內(nèi)異肽鍵和二對(duì)二硫鍵在纖維形成中的重要作用。
在對(duì)Spa菌毛纖維形成機(jī)制解析的基礎(chǔ)上,研究者對(duì)Spa菌毛的骨架蛋白Spa2進(jìn)行理性設(shè)計(jì),構(gòu)建出了基于Spa菌毛的新型可編程細(xì)胞外蛋白質(zhì)支架(圖3)。首先,研究者嘗試將mCherry分別融合在Spa2的信號(hào)肽之后以及不含二硫鍵的M-domain的不同loop區(qū)域,結(jié)果表明這些位點(diǎn)都能夠裝載mCherry并可以形成纖維結(jié)構(gòu)(圖3a,b);此外,通過在Spa2上裝載不同類型/大小的功能性肽段/蛋白/酶,也能夠在細(xì)胞外形成具有對(duì)應(yīng)功能的纖維。 而后,研究者通過將Spa2單體同時(shí)融合分割的綠色熒光蛋白Venus的氨基端和羧基端,結(jié)果發(fā)現(xiàn)重組的細(xì)胞表面實(shí)現(xiàn)了熒光的互補(bǔ),這表明可編程的Spa菌毛蛋白支架也可以用于細(xì)胞外多個(gè)蛋白的共組裝(圖3c-e)。
以上的研究表明,可編程的Spa菌毛能夠?qū)Χ鄠€(gè)蛋白共組裝,有望應(yīng)用于細(xì)胞外的酶促級(jí)聯(lián)反應(yīng)中。因此,研究者通過在骨架蛋白Spa2上融合多個(gè)纖維素酶,實(shí)現(xiàn)了在體外將粘稠的纖維素降解為細(xì)胞可以利用的葡萄糖;此外,通過工程工業(yè)菌株谷氨酸棒狀使其具有生產(chǎn)番茄紅素的能力(圖4)。研究者通過結(jié)合工程細(xì)胞具備的細(xì)胞外降解纖維素為葡萄糖的能力,和細(xì)胞內(nèi)具備的轉(zhuǎn)化葡萄糖為高附加值化合物的能力,構(gòu)筑出具有將廢棄物轉(zhuǎn)化為高附加值化合物的新型活體功能材料。
綜上所述,該研究通過利用IT技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然界中生產(chǎn)生物聚合物菌株的的挖掘、分類以及分析,可以快速為用戶找到易工程的非致病菌株作為新型“活材料”構(gòu)筑的底盤細(xì)胞;通過BT技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘到的底盤細(xì)胞中生物聚合物機(jī)制的解析,推進(jìn)可編程生物聚合物的設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)新型“活材料”的快速構(gòu)筑。該研究為新型“活材料”的開發(fā)提供了“IT+BT”的新范式,并將加速新型“活材料”的開發(fā)。
該工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市材料合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的支持以及深圳市微生物藥物智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與未知君共同創(chuàng)立的“BT-IT 材料創(chuàng)新”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(https://mp.weixin.qq.com/s/mnoA0-iZeDGMVi3Tjrh3Ig)、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院和定量合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)的支持。感謝國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施(上海) BL19U1線站的工作人員在晶體衍射數(shù)據(jù)收集中的支持與幫助,同時(shí)也感謝武漢大學(xué)范成鵬老師對(duì)結(jié)構(gòu)解析的指導(dǎo)與幫助。
圖1 開發(fā)新型“活材料”的“IT+BT”新范式
圖2 BBSniffer從自然界中挖掘合成靶標(biāo)生物聚合物底盤細(xì)胞的流程
圖3 開發(fā)基于Spa菌毛的新型可編程的細(xì)胞外蛋白質(zhì)支架
圖4 構(gòu)筑將廢棄物轉(zhuǎn)化為高附加值化合物的新型“活材料”
附件下載: