11月27日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)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生物科技有限公司譚驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作在《自然—化學(xué)生物學(xué)》上發(fā)表最新研究成果。
該工作通過(guò)結(jié)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jī)制的解析以及新型“活材料”的理性設(shè)計(jì)，搭建出-快速開(kāi)發(fā)新型“活材料”的使能技術(shù)-信息技術(shù)（IT）結(jié)合生物技術(shù)（BT）。
開(kāi)發(fā)新型“活材料”的“IT+BT”新范式示意圖 陳磊供圖
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(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(xì)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(zhǎng)、自適應(yīng)、可進(jìn)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(kāi)發(fā)中，具有可編程生物聚合物基元的底盤(pán)細(xì)胞匱乏，使構(gòu)筑具有更多功能且能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的微生物“活材料”受限，并成為阻礙ELMs領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。
為了解決上述瓶頸，鐘超研究團(tuán)隊(duì)與譚驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，首先開(kāi)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(pán)細(xì)胞。
“運(yùn)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(guān)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，就可以從龐大的細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)軟件內(nèi)置的細(xì)菌分類數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)菌株進(jìn)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(tuán)隊(duì)以“共價(jià)交聯(lián)型菌毛”作為示例，對(duì)自然界中合成此類蛋白質(zhì)纖維的菌株進(jìn)行篩選和分類后，挖掘出102株工業(yè)菌株中具有合成共價(jià)交聯(lián)行菌毛的基因簇。通過(guò)對(duì)挖掘到的工業(yè)菌株進(jìn)行進(jìn)化樹(shù)分析后，生成相對(duì)于參考菌株（研究共價(jià)交聯(lián)型菌毛中的模式菌株，致病菌白喉?xiàng)U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，作為下一步開(kāi)發(fā)基于共價(jià)交聯(lián)型菌毛的新型微生物“活材料”的底盤(pán)細(xì)胞。
探索“IT+BT”新范式
新型生物聚合物的組裝機(jī)制解析對(duì)其進(jìn)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(duì)象，通過(guò)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(jià)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(guò)質(zhì)譜鑒定，研究團(tuán)隊(duì)揭示了分選酶催化Spa2單體間縮合，形成分子間的異肽鍵，實(shí)現(xiàn)骨架蛋白單體間的聚合。此外，通過(guò)聯(lián)合質(zhì)譜鑒定、X-ray晶體衍射技術(shù)和體內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，揭示了Spa2蛋白單體內(nèi)的三對(duì)分子內(nèi)異肽鍵和二對(duì)二硫鍵在纖維形成中的重要作用。
在對(duì)Spa菌毛纖維形成機(jī)制解析的基礎(chǔ)上，研究者對(duì)Spa菌毛的骨架蛋白Spa2進(jìn)行理性設(shè)計(jì)，構(gòu)建出了基于Spa菌毛的新型可編程細(xì)胞外蛋白質(zhì)支架。“研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重組的細(xì)胞表面實(shí)現(xiàn)了熒光的互補(bǔ)，這表明可編程的Spa菌毛蛋白支架也可以用于細(xì)胞外多個(gè)蛋白的共組裝。”論文共同通訊作者、深圳先進(jìn)院合成所研究員周佳海說(shuō)道。
這表明，可編程的Spa菌毛能夠?qū)Χ鄠€(gè)蛋白共組裝，有望應(yīng)用于細(xì)胞外的酶促級(jí)聯(lián)反應(yīng)中。因此，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在骨架蛋白Spa2上融合多個(gè)纖維素酶，實(shí)現(xiàn)了在體外將粘稠的纖維素降解為細(xì)胞可以利用的葡萄糖。
此外，通過(guò)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(guò)結(jié)合工程細(xì)胞具備的細(xì)胞外降解纖維素為葡萄糖的能力，和細(xì)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。
“通過(guò)利用IT技術(shù)，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(gòu)筑的底盤(pán)細(xì)胞；通過(guò)BT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘到的底盤(pán)細(xì)胞中生物聚合物機(jī)制的解析，推進(jìn)可編程生物聚合物的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)新型‘活材料’的快速構(gòu)筑。”論文共同通訊作者、深圳先進(jìn)院合成所研究員鐘超表示，該研究為新型“活材料”的開(kāi)發(fā)提供了“IT+BT”的新范式，并將加速新型“活材料”的開(kāi)發(fā)。
