Nature Chemical Biology | 新型“活材料”設(shè)計的“IT+BT”新范式
11月27日,中國科學(xué)院深圳先進技術(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團隊合作在Nature Chemical Biology上發(fā)表設(shè)計新型“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,實現(xiàn)了對合成特定生物聚合物菌株的高通量挖掘和篩選、生物聚合物組裝機制的解析以及新型“活材料”的理性設(shè)計,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,中科院深圳先進技術(shù)研究院鐘超研究員、周佳海研究員和未知君的譚驗博士為文章共同通訊作者。另外深圳先進技術(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,深圳先進技術(shù)研究院李楠研究員團隊,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隊的其他同學(xué)也對該工作也做出了重要貢獻。
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、自適應(yīng)、可進化等“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胞匱乏,使構(gòu)筑具有更多功能且能滿足不同應(yīng)用場景的微生物“活材料”受限,并成為阻礙ELMs領(lǐng)域進一步發(fā)展的重要因素。
為了解決上述瓶頸,首先鐘超研究團隊與深圳未知君譚驗博士團隊合作開發(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)置的細菌分類數(shù)據(jù)庫對菌株進行致病菌、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。
研究團隊以“共價交聯(lián)型菌毛”作為示例,對自然界中合成此類蛋白質(zhì)纖維的菌株進行篩選和分類后,挖掘出102株工業(yè)菌株中具有合成共價交聯(lián)行菌毛的基因簇;通過對挖掘到的工業(yè)菌株進行進化樹分析后,生成相對于參考菌株(研究共價交聯(lián)型菌毛中的模式菌株,致病菌白喉桿菌)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)基于共價交聯(lián)型菌毛的新型微生物“活材料”的底盤細胞。
新型生物聚合物的組裝機制解析對其進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)驗證實驗,揭示了Spa2蛋白單體內(nèi)的三對分子內(nèi)異肽鍵和二對二硫鍵在纖維形成中的重要作用。
在對Spa菌毛纖維形成機制解析的基礎(chǔ)上,研究者對Spa菌毛的骨架蛋白Spa2進行理性設(shè)計,構(gòu)建出了基于Spa菌毛的新型可編程細胞外蛋白質(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,也能夠在細胞外形成具有對應(yīng)功能的纖維。 而后,研究者通過將Spa2單體同時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)重組的細胞表面實現(xiàn)了熒光的互補,這表明可編程的Spa菌毛蛋白支架也可以用于細胞外多個蛋白的共組裝(圖3c-e)。
以上的研究表明,可編程的Spa菌毛能夠?qū)Χ鄠€蛋白共組裝,有望應(yīng)用于細胞外的酶促級聯(lián)反應(yīng)中。因此,研究者通過在骨架蛋白Spa2上融合多個纖維素酶,實現(xiàn)了在體外將粘稠的纖維素降解為細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)合工程細胞具備的細胞外降解纖維素為葡萄糖的能力,和細胞內(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),實現(xiàn)了對自然界中生產(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)筑的底盤細胞;通過BT技術(shù),實現(xiàn)對挖掘到的底盤細胞中生物聚合物機制的解析,推進可編程生物聚合物的設(shè)計,并實現(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)。
該工作獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、深圳市材料合成生物學(xué)重點實驗和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項目的支持以及深圳市微生物藥物智能制造重點實驗室、深圳先進技術(shù)研究院與未知君共同創(chuàng)立的“BT-IT 材料創(chuàng)新”聯(lián)合實驗室(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)重點實驗室等平臺的支持。感謝國家蛋白質(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,同時也感謝武漢大學(xué)范成鵬老師對結(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)生物聚合物底盤細胞的流程
圖3 開發(fā)基于Spa菌毛的新型可編程的細胞外蛋白質(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”
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