Cell Systems封面文章|深圳先進(jìn)院戴卓君團(tuán)隊(duì):合成生物學(xué)賦能的接枝反應(yīng)
2024年3月9日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴卓君團(tuán)隊(duì)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(xué)接枝反應(yīng)的策略,通過(guò)合成生物學(xué)手段編程微生物,實(shí)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(xué)功能。在傳統(tǒng)化學(xué)接枝反應(yīng)中,雖可實(shí)現(xiàn)大分子或其表面的功能化修飾,但賦予的性質(zhì)往往受限于親疏水性、pH值、溫度敏感性等物理化學(xué)屬性,并缺乏生物學(xué)功能(例如結(jié)合錯(cuò)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(zhǎng)并提供多個(gè)接穗的理念,通過(guò)調(diào)控工程細(xì)菌持續(xù)的生長(zhǎng)及釋放功能蛋白模塊,增強(qiáng)了接枝反應(yīng)的穩(wěn)定性和自我修復(fù)能力,獲得了一系列動(dòng)態(tài)可調(diào)、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(tuán)隊(duì)通過(guò)聚合物支架封裝了工程細(xì)菌,支架內(nèi)含有大約20微米的帶有活性接枝位點(diǎn)的微粒;這些經(jīng)過(guò)基因線路調(diào)控的微生物能夠在支架內(nèi)生長(zhǎng),感知到自我密度,并自主裂解釋放特定的功能蛋白;攜帶標(biāo)簽的目標(biāo)蛋白能夠有效地接枝至支架內(nèi)的活性位點(diǎn),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(pán)細(xì)胞、可定制的基因線路、多種功能蛋白模塊以及接枝化學(xué)反應(yīng),所有這些都可以靈活調(diào)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(duì)外部干擾的高度穩(wěn)定性和可再生能力。在此基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了多種功能性MELG:如能夠響應(yīng)生物信號(hào)進(jìn)行蛋白質(zhì)的可控釋放、合成高值化學(xué)品橄欖醇酸,以及修正錯(cuò)配的DNA序列。

圖1. MELG(Materials Engineered by Living Grafting)的模塊、系統(tǒng)及下游應(yīng)用
活體接枝材料消除錯(cuò)配DNA
以識(shí)別并結(jié)合錯(cuò)配DNA,從而降低合成DNA錯(cuò)誤率的MELG系統(tǒng)為例。合成生物學(xué)的快速進(jìn)展得益于DNA合成技術(shù)的突破。然而,通過(guò)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(shí)也積累了錯(cuò)誤率。自然界的生物為了維持自身遺傳物質(zhì)的完整性和穩(wěn)定性,天然具有DNA 錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)。其中DNA結(jié)合蛋白MutS即是細(xì)菌錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)的關(guān)鍵成分。同時(shí),不同物種來(lái)源的MutS對(duì)不同類(lèi)型的DNA錯(cuò)配具有區(qū)別化的結(jié)合特異性。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了能夠自主生產(chǎn)、裂解和釋放特定MutS(來(lái)自Thermus aquaticus的TaMutS和來(lái)自Thermotoga maritima的TmMutS)的大腸桿菌,進(jìn)而生成接枝了TaMutS或TmMutS的MELG系統(tǒng)(圖2a-b)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,接枝了TmMutS的MELG對(duì)GG錯(cuò)配具有較強(qiáng)的結(jié)合能力,而接枝了TaMutS的MELG則對(duì)AA錯(cuò)配有更高的親和力(圖2c)。因此,結(jié)合使用這兩種MELG能夠有效消除含有AA和GG錯(cuò)配的DNA片段(圖2d)。此外,MELG系統(tǒng)可被長(zhǎng)期存儲(chǔ),并根據(jù)需要進(jìn)行組裝使用(圖2e)。所接枝的功能蛋白可以再生,例如:團(tuán)隊(duì)制造了大腸桿菌來(lái)源EcMutS 接枝的MELG,并捕獲了標(biāo)記有熒光信號(hào)的錯(cuò)配DNA;系統(tǒng)在隨后進(jìn)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(cuò)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(cuò)配DNA。a. 不同MutS接枝MELG對(duì)不同錯(cuò)配DNA的結(jié)合具有差異。b.?E. coli釋放TaMutS和TmMutS。c.?MutS接枝MELG具有不同的結(jié)合偏好。d. 組合MELG去除了大部分錯(cuò)配DNA。e. MELG隨長(zhǎng)隨用。f. MELG二次生長(zhǎng),再利用。g.?除多堿基缺失外,幾乎所有錯(cuò)誤都被MELG消除。h.?經(jīng)MELG校正后,總體錯(cuò)誤率降低。
最后,研究團(tuán)隊(duì)合成了β-內(nèi)酰胺酶全長(zhǎng)基因,并應(yīng)用MELG消除基因合成過(guò)程中累積的錯(cuò)誤。結(jié)果顯示:經(jīng)MELG校正的基因總體錯(cuò)誤率從1.3853‰降低到0.2399‰,從而提高了合成DNA的整體質(zhì)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(lèi)型的錯(cuò)誤,與MutS較差的多堿基缺失的識(shí)別能力吻合(圖2g)。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員戴卓君為論文通訊作者,國(guó)科大博士生朱潤(rùn)濤為論文第一作者,國(guó)科大碩士畢業(yè)生、現(xiàn)研究助理張嬌在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、推進(jìn)和文章修訂中做出了重要貢獻(xiàn)。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青及面上項(xiàng)目、廣東省杰出青年自然科學(xué)基金、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
參考文獻(xiàn):
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: