Cell Systems封面文章|深圳先進院戴卓君團隊:合成生物學賦能的接枝反應
2024年3月9日,中國科學院深圳先進技術研究院戴卓君團隊在Cell子刊Cell Systems在線發(fā)表題為“Engineering Functional Materials through Bacteria-assisted Living Grafting”的研究性工作。該研究借鑒化學接枝反應的策略,通過合成生物學手段編程微生物,實現(xiàn)了功能蛋白的持續(xù)生產(chǎn)與原位接枝,賦予了材料多樣的生物學功能。在傳統(tǒng)化學接枝反應中,雖可實現(xiàn)大分子或其表面的功能化修飾,但賦予的性質往往受限于親疏水性、pH值、溫度敏感性等物理化學屬性,并缺乏生物學功能(例如結合錯配DNA等)。相較之下,本研究借鑒了植物嫁接中供體植物可生長并提供多個接穗的理念,通過調控工程細菌持續(xù)的生長及釋放功能蛋白模塊,增強了接枝反應的穩(wěn)定性和自我修復能力,獲得了一系列動態(tài)可調、可再生的生物功能。該工作也被選為Cell Systems的封面文章。

文章上線截圖
文章鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405471224000577?via%3Dihub

Cell Systems封面文章
團隊通過聚合物支架封裝了工程細菌,支架內含有大約20微米的帶有活性接枝位點的微粒;這些經(jīng)過基因線路調控的微生物能夠在支架內生長,感知到自我密度,并自主裂解釋放特定的功能蛋白;攜帶標簽的目標蛋白能夠有效地接枝至支架內的活性位點,從而組裝為MELG(Materials Engineered by Living Grafting:MELG)(如圖1)。系統(tǒng)具備高度的模塊化特性:提供蛋白模塊的底盤細胞、可定制的基因線路、多種功能蛋白模塊以及接枝化學反應,所有這些都可以靈活調節(jié)。得益于活體微生物可源源不斷的提供接枝蛋白,這套系統(tǒng)展現(xiàn)出對外部干擾的高度穩(wěn)定性和可再生能力。在此基礎上,團隊進一步開發(fā)了多種功能性MELG:如能夠響應生物信號進行蛋白質的可控釋放、合成高值化學品橄欖醇酸,以及修正錯配的DNA序列。

圖1. MELG(Materials Engineered by Living Grafting)的模塊、系統(tǒng)及下游應用
活體接枝材料消除錯配DNA
以識別并結合錯配DNA,從而降低合成DNA錯誤率的MELG系統(tǒng)為例。合成生物學的快速進展得益于DNA合成技術的突破。然而,通過芯片合成核苷酸池并組裝雙鏈DNA的方法在提高合成效率的同時也積累了錯誤率。自然界的生物為了維持自身遺傳物質的完整性和穩(wěn)定性,天然具有DNA 錯配修復系統(tǒng)。其中DNA結合蛋白MutS即是細菌錯配修復系統(tǒng)的關鍵成分。同時,不同物種來源的MutS對不同類型的DNA錯配具有區(qū)別化的結合特異性。團隊開發(fā)了能夠自主生產(chǎn)、裂解和釋放特定MutS(來自Thermus aquaticus的TaMutS和來自Thermotoga maritima的TmMutS)的大腸桿菌,進而生成接枝了TaMutS或TmMutS的MELG系統(tǒng)(圖2a-b)。實驗數(shù)據(jù)顯示,接枝了TmMutS的MELG對GG錯配具有較強的結合能力,而接枝了TaMutS的MELG則對AA錯配有更高的親和力(圖2c)。因此,結合使用這兩種MELG能夠有效消除含有AA和GG錯配的DNA片段(圖2d)。此外,MELG系統(tǒng)可被長期存儲,并根據(jù)需要進行組裝使用(圖2e)。所接枝的功能蛋白可以再生,例如:團隊制造了大腸桿菌來源EcMutS 接枝的MELG,并捕獲了標記有熒光信號的錯配DNA;系統(tǒng)在隨后進行了洗脫,去除了接枝的EcMutS,但是在培養(yǎng)基中重新培養(yǎng)系統(tǒng)后,再生的MELG可以再次捕獲錯誤片段,證明了系統(tǒng)可再生的特性(圖2f)。

圖2. MutS接枝MELG移除錯配DNA。a. 不同MutS接枝MELG對不同錯配DNA的結合具有差異。b.?E. coli釋放TaMutS和TmMutS。c.?MutS接枝MELG具有不同的結合偏好。d. 組合MELG去除了大部分錯配DNA。e. MELG隨長隨用。f. MELG二次生長,再利用。g.?除多堿基缺失外,幾乎所有錯誤都被MELG消除。h.?經(jīng)MELG校正后,總體錯誤率降低。
最后,研究團隊合成了β-內酰胺酶全長基因,并應用MELG消除基因合成過程中累積的錯誤。結果顯示:經(jīng)MELG校正的基因總體錯誤率從1.3853‰降低到0.2399‰,從而提高了合成DNA的整體質量(圖2g-h)。值得注意的是,MELG消除了除多堿基缺失外其他所有類型的錯誤,與MutS較差的多堿基缺失的識別能力吻合(圖2g)。
中國科學院深圳先進技術研究院研究員戴卓君為論文通訊作者,國科大博士生朱潤濤為論文第一作者,國科大碩士畢業(yè)生、現(xiàn)研究助理張嬌在實驗設計、推進和文章修訂中做出了重要貢獻。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金優(yōu)青及面上項目、廣東省杰出青年自然科學基金、深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等多個項目的支持。
參考文獻:
1. Runtao Zhu,Jiao Zhang,Lin Wang,Yunfeng Zhang,Yang Zhao,Ying Han,Jing Sun,Xi Zhang,Ying Dou,Huaxiong Yao,Wei Yan,Xiaozhou Luo,Junbiao Dai,Zhuojun Dai*. Engineering Functional Materials through Bacteria-assisted Living Grafting. Cell systems. 2024.?DOI: 10.1016/j.cels.2024.02.003
附件下載: