科學家設計出新型“活材料”的新范式

11月27日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所鐘超課題組、周佳海課題組與深圳未知君生物科技有限公司譚驗團隊合作在《自然—化學生物學》上發(fā)表最新研究成果。

該工作通過結合生物信息學、結構生物學和合成生物學的技術方法，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”的理性設計，搭建出-快速開發(fā)新型“活材料”的使能技術-信息技術（IT）結合生物技術（BT）。

新軟件快速篩選工程“活材料”菌株

工程“活材料”（ELMs），是合成生物學與材料科學領域交叉發(fā)展衍生出的新興領域。自組裝的活體功能材料是當前“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、可進化等“活”的生命屬性，并在生物傳感、生物修復、疾病治療和智能材料制備等領域表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。然而，在當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，使構筑具有更多功能且能滿足不同應用場景的微生物“活材料”受限，并成為阻礙ELMs領域進一步發(fā)展的重要因素。

為了解決上述瓶頸，鐘超研究團隊與譚驗團隊合作，首先開發(fā)出了軟件BBSniffer，用于挖掘自然界中具有合成特定生物聚合物菌株，并為使用者推薦出可用于下一步工程新型“活材料”的底盤細胞。

“運用這一軟件，我們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)相關的專業(yè)術語，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，便可為生成用于下一步工程新型‘活材料’的候選菌株參考列表。”黃園園介紹。

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，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。

探索“IT+BT”新范式

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。

通過質(zhì)譜鑒定，研究團隊揭示了分選酶催化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上，研究者對Spa菌毛的骨架蛋白Spa2進行理性設計，構建出了基于Spa菌毛的新型可編程細胞外蛋白質(zhì)支架?！把芯拷Y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。”論文共同通訊作者、深圳先進院合成所研究員周佳海說道。

這表明，可編程的Spa菌毛能夠對多個蛋白共組裝，有望應用于細胞外的酶促級聯(lián)反應中。因此，研究團隊通過在骨架蛋白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。研究者通過結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)具備的轉化葡萄糖為高附加值化合物的能力，構筑出具有將廢棄物轉化為高附加值化合物的新型活體功能材料。

“通過利用IT技術，我們實現(xiàn)了對自然界中生產(chǎn)生物聚合物菌株的挖掘、分類以及分析，可以快速找到易工程的非致病菌株作為新型‘活材料’構筑的底盤細胞；通過BT技術，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計，并實現(xiàn)新型‘活材料’的快速構筑?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⑸钲谙冗M院合成所研究員鐘超表示，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)。