2024年3月9日，中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君团队在Cell子刊Cell Systems在线发表题为“Engineering Functional Materials through Bacteria-assisted Living Grafting”的研究性工作。该研究借鉴化学接枝反应的策略，通过合成生物学手段编程微生物，实现了功能蛋白的持续生产与原位接枝，赋予了材料多样的生物学功能。在传统化学接枝反应中，虽可实现大分子或其表面的功能化修饰，但赋予的性质往往受限于亲疏水性、pH值、温度敏感性等物理化学属性，并缺乏生物学功能（例如结合错配DNA等）。相较之下，本研究借鉴了植物嫁接中供体植物可生长并提供多个接穗的理念，通过调控工程细菌持续的生长及释放功能蛋白模块，增强了接枝反应的稳定性和自我修复能力，获得了一系列动态可调、可再生的生物功能。该工作也被选为Cell Systems的封面文章。
文章上线截图
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405471224000577?via=ihub
Cell Systems封面文章
团队通过聚合物支架封装了工程细菌，支架内含有大约20微米的带有活性接枝位点的微粒；这些经过基因线路调控的微生物能够在支架内生长，感知到自我密度，并自主裂解释放特定的功能蛋白；携带标签的目标蛋白能够有效地接枝至支架内的活性位点，从而组装为MELG(Materials Engineered by Living Grafting：MELG)（如图1）。系统具备高度的模块化特性：提供蛋白模块的底盘细胞、可定制的基因线路、多种功能蛋白模块以及接枝化学反应，所有这些都可以灵活调节。得益于活体微生物可源源不断的提供接枝蛋白，这套系统展现出对外部干扰的高度稳定性和可再生能力。在此基础上，团队进一步开发了多种功能性MELG：如能够响应生物信号进行蛋白质的可控释放、合成高值化学品橄榄醇酸，以及修正错配的DNA序列。
图1. MELG(Materials Engineered by Living Grafting)的模块、系统及下游应用
活体接枝材料消除错配DNA
以识别并结合错配DNA，从而降低合成DNA错误率的MELG系统为例。合成生物学的快速进展得益于DNA合成技术的突破。然而，通过芯片合成核苷酸池并组装双链DNA的方法在提高合成效率的同时也积累了错误率。自然界的生物为了维持自身遗传物质的完整性和稳定性，天然具有DNA 错配修复系统。其中DNA结合蛋白MutS即是细菌错配修复系统的关键成分。同时，不同物种来源的MutS对不同类型的DNA错配具有区别化的结合特异性。团队开发了能够自主生产、裂解和释放特定MutS（来自Thermus aquaticus的TaMutS和来自Thermotoga maritima的TmMutS）的大肠杆菌，进而生成接枝了TaMutS或TmMutS的MELG系统（图2a-b）。实验数据显示，接枝了TmMutS的MELG对GG错配具有较强的结合能力，而接枝了TaMutS的MELG则对AA错配有更高的亲和力（图2c）。因此，结合使用这两种MELG能够有效消除含有AA和GG错配的DNA片段（图2d）。此外，MELG系统可被长期存储，并根据需要进行组装使用（图2e）。所接枝的功能蛋白可以再生，例如：团队制造了大肠杆菌来源EcMutS 接枝的MELG，并捕获了标记有荧光信号的错配DNA；系统在随后进行了洗脱，去除了接枝的EcMutS，但是在培养基中重新培养系统后，再生的MELG可以再次捕获错误片段，证明了系统可再生的特性（图2f）。
图2. MutS接枝MELG移除错配DNA。a. 不同MutS接枝MELG对不同错配DNA的结合具有差异。b. E. coli释放TaMutS和TmMutS。c. MutS接枝MELG具有不同的结合偏好。d. 组合MELG去除了大部分错配DNA。e. MELG随长随用。f. MELG二次生长，再利用。g. 除多碱基缺失外，几乎所有错误都被MELG消除。h. 经MELG校正后，总体错误率降低。
最后，研究团队合成了β-内酰胺酶全长基因，并应用MELG消除基因合成过程中累积的错误。结果显示：经MELG校正的基因总体错误率从1.3853‰降低到0.2399‰，从而提高了合成DNA的整体质量（图2g-h）。值得注意的是，MELG消除了除多碱基缺失外其他所有类型的错误，与MutS较差的多碱基缺失的识别能力吻合（图2g）。
中国科学院深圳先进技术研究院研究员戴卓君为论文通讯作者，国科大博士生朱润涛为论文第一作者，国科大硕士毕业生、现研究助理张娇在实验设计、推进和文章修订中做出了重要贡献。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金优青及面上项目、广东省杰出青年自然科学基金、深圳合成生物学创新研究院等多个项目的支持。
参考文献：
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