《自然·通訊》| 深圳先進(jìn)院等在利用工程細(xì)菌編輯功能性半互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物研究取得進(jìn)展
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成所的戴卓君副研究員和杜克大學(xué)的游凌沖教授等提出了一種全新的可模塊化、多樣化融合蛋白組分的活體semi-IPN的構(gòu)建思路：通過微凝膠包裹植入基因線路的兩種大腸桿菌。相關(guān)成果以Living fabrication of functional semi-interpenetrating polymeric materials為題在Nature Communications上發(fā)表，戴卓君副研究員是論文第一作者和共同通訊作者，杜克大學(xué)的游凌沖教授是該論文的共同通訊作者。
互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物（Interpenetrating Polymer Network）由兩種或多種各自聚合交聯(lián)的組分連續(xù)并相互穿透所組成。在IPN中，如果僅有一種聚合物是交聯(lián)的，另一種聚合物是線型非交聯(lián)的，則稱其為半互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物（semi-IPN）。半互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物可以融合兩組分的特性及優(yōu)點。傳統(tǒng)合成IPN或semi-IPN的方法流程繁瑣且成本較高，且合成的材料不具備復(fù)原性能，一旦其在擾動環(huán)境下失去活性，其活性便無法再生。隨著合成生物學(xué)的快速發(fā)展，利用工程細(xì)菌組裝活體材料，使其具有生物的活體性能（可再生、自修復(fù)等）成為了造物致用的新方向。然而目前的研究中，活體材料中的“活”字大多體現(xiàn)在材料的制備過程中，即利用生物自己產(chǎn)生生物膜并將全細(xì)胞構(gòu)建成為材料，而在材料性能上，生物本身的特性，尤其是其活體性質(zhì)還缺乏較好的體現(xiàn)及利用。在本研究中，研究者結(jié)合合成生物學(xué)、蛋白質(zhì)工程及高分子物理化學(xué)，提出通過微凝膠包裹植入基因線路的兩種大腸桿菌。微凝膠本身的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供第一組分，并作為物理支架支持工程細(xì)菌的生長；兩種工程細(xì)菌在膠囊中生長達(dá)到一定密度后，感知到膠囊的物理空間局限從而自主裂解，釋放出體內(nèi)表達(dá)的兩種蛋白單體；兩種蛋白單體（修飾有可共價反應(yīng)的蛋白標(biāo)簽SpyTag或SpyCatcher）原位聚合，形成第二組分（聚合的蛋白）并與第一網(wǎng)絡(luò)互穿。由于蛋白單體的可編輯性，可靈活的融合各種活性分子于蛋白單體，組裝修飾有各種活性蛋白模塊的活體semi-IPN。
研究者利用實驗室之前構(gòu)建的ePop回路編輯細(xì)菌基于密度的自裂解性能。在ePop回路的設(shè)計中，細(xì)菌表達(dá)一種來源于噬菌體phix174的E蛋白，E蛋白會阻礙大腸桿菌細(xì)胞壁的合成，當(dāng)細(xì)菌密度達(dá)到一定程度時，積累的毒素就會導(dǎo)致細(xì)菌裂解；利用彈性蛋白作為第二組分的骨架，并在彈性蛋白上融合表達(dá)多個可反應(yīng)的蛋白標(biāo)簽（SpyTag或SpyCatcher）；構(gòu)建兩種細(xì)菌，共培養(yǎng)兩種細(xì)菌時，細(xì)菌生長、部分裂解釋放兩種蛋白單體，兩種蛋白單體即可原位聚合；利用殼聚糖高分子作為膠囊制作的材料，利用殼聚糖與三聚磷酸分子構(gòu)建交聯(lián)體系（第一網(wǎng)絡(luò)）并包裹兩種細(xì)菌，細(xì)菌裂解釋放的兩種蛋白單體原位聚合形成第二組分（polymerized protein）,與第一網(wǎng)絡(luò)互穿形成活體semi-IPN。
測試表明，活體semi-IPN具有更好的機械性能，并具有抵御環(huán)境擾動的自修復(fù)性能。當(dāng)制備修飾酶的活體semi-IPN，并將該酶的抑制劑短期或長期與材料共同孵育時，研究者發(fā)現(xiàn)普通材料的酶活性全部喪失，而活體semi-IPN極高的保存了其活性。
為進(jìn)一步展示該平臺優(yōu)勢以及潛在的應(yīng)用場景，研究者嘗試在一種蛋白單體下游融合β-內(nèi)酰胺酶，制備融合有β-內(nèi)酰胺酶的semi-IPN，并利用該材料保護(hù)抗生素擾動下的腸道菌群。研究人員首先將β-內(nèi)酰胺酶融合到其中一種蛋白單體，構(gòu)建活體semi-Bla-IPN。當(dāng)把活體semi-Bla-IPN灌胃給小鼠時，他們發(fā)現(xiàn)相對于其他對照組（包括膠囊包裹純化后的β-內(nèi)酰胺酶，且其含量是semi-Bla-IPN起始含量的2.5倍），服用活體semi-Bla-IPN的小鼠在菌群的總體含量以及菌群結(jié)構(gòu)分布上都維持了更加顯著的穩(wěn)定性。
目前的活體功能材料領(lǐng)域主要聚焦于編輯及改造生物膜，研究人員試圖采用一種全新的思路搭建一種普適性的活體材料構(gòu)建方法，并使其具有半互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物的良好性能。根據(jù)他們的設(shè)計，裂解模塊和第一層網(wǎng)絡(luò)的每一個部件都是可替換以及可優(yōu)化的。例如裂解模塊的基因線路可以被替換成其他編譯細(xì)胞裂解的基因線路；第一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需求替換成其他高分子，并通過調(diào)整孔徑尺寸、表面修飾等實現(xiàn)性能優(yōu)化；蛋白單體序列可以融合任意具有活性的蛋白模塊；研究人員預(yù)期該方法可以設(shè)計多種具有不同功能的活體semi-IPN，包括融合多種酶利用級聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)生物合成，融合重金屬結(jié)合酶或危害物降解酶實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)或循環(huán)，以及進(jìn)一步融合其他治療性蛋白實現(xiàn)疾病診斷及治療等。
合成semi-IPN的思路。a) 傳統(tǒng)的方法合成semi-IPN；b) 利用合成生物學(xué)實現(xiàn)可模塊化、多樣化融合蛋白組分的活體semi-IPN的構(gòu)建思路。
