【引言】

生物系統(tǒng)以無法通過人造材料實現(xiàn)的方式組裝具有先進(jìn)特性的組織和結(jié)構(gòu)。活性材料在溫和的條件下會自行組裝，具有自主模式，可以自我修復(fù)，感知并響應(yīng)其環(huán)境。受此啟發(fā)，工程生物材料（ELM）領(lǐng)域旨在利用基因工程生物來產(chǎn)生新型材料。細(xì)菌纖維素（BC）是一種生物材料，具有令人印象深刻的物理性能和較低的生產(chǎn)成本，是ELM的誘人基質(zhì)。

【成果簡介】

受植物如何從具有特殊細(xì)胞的組織中構(gòu)建材料的啟發(fā)，麻省理工學(xué)院和帝國理工大學(xué)開發(fā)了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過添加經(jīng)編程的酵母菌來制造新穎的基于BC的ELM，該酵母經(jīng)過編程可為纖維素基質(zhì)增加功能性狀。這是通過合成的“細(xì)菌和酵母的共生培養(yǎng)物”（Syn-SCOBY）方法實現(xiàn)的，該方法使用了釀酒酵母與根瘤菌芽孢桿菌的穩(wěn)定共培養(yǎng)。Syn-SCOBY方法可將工程細(xì)胞接種到簡單的生長培養(yǎng)基中，并在溫和的條件下在幾天內(nèi)自動組裝具有基因可編程功能特性的材料。共培養(yǎng)的酵母可以被工程化為向BC分泌酶，產(chǎn)生自主生長的催化材料，并實現(xiàn)BC散裝材料特性的DNA編碼修飾。作者進(jìn)一步開發(fā)了一種將釀酒酵母摻入不斷增長的纖維素基質(zhì)中的方法，從而創(chuàng)造出可以感知化學(xué)和光學(xué)輸入的生物材料。這使能夠檢測和響應(yīng)環(huán)境污染物的動態(tài)傳感器材料以及能夠根據(jù)投影圖案生長圖像的動態(tài)膠片的生長成為可能。這種新穎而強(qiáng)大的Syn-SCOBY系統(tǒng)使基于BC的ELM的可持續(xù)生產(chǎn)成為可能。該成果以題為“Living materials with programmable functionalities grown from engineered microbial co-cultures”發(fā)表在Nat. Mater.上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.與釀酒酵母和根瘤菌一起培養(yǎng)Syn-SCOBY共培養(yǎng)物

（a）天然活性材料與工程活性材料之間的比較（b）BC薄膜的圖 （c）自制的紅茶菌（d）生長3天的鼠李糖單胞菌和釀酒酵母的單培養(yǎng)和共培養(yǎng)圖像 （e）在YPS培養(yǎng)基中生長的由R. rhaeticus Kr RFP和S. cerevisiae yWS167組成的共培養(yǎng)物的細(xì)胞計數(shù)

圖2.Syn-SCOBYs生產(chǎn)酶功能化的BC材料

（a）將產(chǎn)生BC的細(xì)菌與可工程改造的釀酒酵母酵母共培養(yǎng)以產(chǎn)生ELM的示意圖 （b）圖解功能化概念的示意圖 （c）分泌BLA的酵母菌株yCG04(BLA)和yCG05(BLA-CBD)（d）在存在β-內(nèi)酰胺酶的情況下，硝基生物素從黃色底物轉(zhuǎn)化為紅色產(chǎn)物 （e-f）用切開的天然濕防護(hù)膜樣品以及干燥后再與啤酒酵母BY4741(WT)，yCG04(BLA)和yCG05(BLA-CBD)共培養(yǎng)的再水合防護(hù)膜樣品進(jìn)行硝菌素測定 （g）從天然水合防護(hù)膜（濕膜）和干燥后的防護(hù)膜中計算出絕對的β-內(nèi)酰胺酶活性，然后在指定的時間段內(nèi)重新水合 （h）Xel-gal通過Mel1酶從無色底物轉(zhuǎn)化為藍(lán)色產(chǎn)物 （i）對X-α-gal進(jìn)行濕法和干燥法測定，然后與分泌GFP的菌株yCG01（-ive）或分泌Mel1的菌株（yCG21）共培養(yǎng)的復(fù)膜薄膜樣品進(jìn)行水合 （j）漆酶將ABTS從無色底物轉(zhuǎn)化為綠色產(chǎn)物 （k）ABTS分析是用濕的和干燥的然后再水合的來自與GFP分泌菌株yCG01（-ive）或分泌CtLcc1的菌株（yCG18）共培養(yǎng)的防護(hù)膜樣品進(jìn)行的

圖3.啤酒酵母細(xì)胞在BC材料中的摻入

（a）修飾的培養(yǎng)基密度有助于將釀酒酵母細(xì)胞摻入防護(hù)膜中 （b）在有或沒有45％OptiPrep的YPS培養(yǎng)基中制備鼠疫克雷伯菌Kr RFP和啤酒酵母yWS167的共培養(yǎng)物 （c）分離自K.rhaeticus Kr RPF和S.cerevisiae yWS167的YPS和YPS + OptiPrep共培養(yǎng)物的防護(hù)膜 （d）酵母菌落形成單位（CFU）從使用K.rhaeticus Kr RPF和S.cerevisiae yWS167生長在YPS和YPS + OptiPrep中的薄膜中計數(shù) （e）薄膜的Brunauer-Emmett-Teller（BET）表面積 （f）薄膜的底部表面和橫截面的SEM樣本圖像

圖4.修改BC物理材料屬性

（a）yCelMix細(xì)胞從防護(hù)膜的底表面將纖維素酶分泌到周圍的微環(huán)境中（b）yCelMix纖維素酶分泌菌株的結(jié)構(gòu)示意圖 （c）分泌不同纖維素酶的釀酒酵母生長2天后的標(biāo)準(zhǔn)化防護(hù)膜干重 （d）干燥的WT和yCelMix防護(hù)膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 （e-g）由（d）中的數(shù)據(jù)計算得出的斷裂拉伸強(qiáng)度，斷裂應(yīng)變和楊氏模量（h-i）通過1 rad/s的應(yīng)變掃描和1％應(yīng)變的頻率掃描測量的WT和yCelMix防護(hù)膜的流變特性

圖5.經(jīng)過精心設(shè)計的共同文化可以培養(yǎng)出活生生的BC感應(yīng)材料

（a）圖解感測和響應(yīng)薄膜功能的示意圖 （b）遺傳yGPH093電路示意圖 （c）測試生物傳感器防護(hù)膜。 將含有BY4741（WT）或β-雌二醇（BED）響應(yīng)型（yGPH093）酵母的小球與OptiPrep一起培養(yǎng) （d）可以將已摻入啤酒酵母的皮膜干燥，保存，然后通過在有或沒有誘導(dǎo)劑的新鮮培養(yǎng)基中孵育來復(fù)活 （e-f）將yGPH093摻入的干燥防護(hù)膜在存在或不存在BED的情況下于環(huán)境中儲存1天或4個月后，在新鮮培養(yǎng)基中孵育 （g）yCG23構(gòu)建體設(shè)計示意圖 （h）收集、清洗并分泌含有GFP的yCG01菌株（WT）和yCG23的YPS-OptiPrep共培養(yǎng)物的天然濕膜，并接種到有或沒有BED的新鮮培養(yǎng)基中

圖6.酶功能化BC材料的光學(xué)圖案

（a）光遺傳學(xué)電路的示意圖 （b）兩種功能化模式的示意圖 （c）3天后在黑暗或光線下生長的防護(hù)膜 （d）yN纖維素和yNurface防護(hù)膜在黑暗中生長，然后在面罩下暴露于光線下4個小時 （e）在黑暗中生長的yN纖維素和yNurface防護(hù)膜暴露于由投影儀產(chǎn)生的復(fù)雜圖案

【小結(jié)】

作者在這個工作中重新構(gòu)建細(xì)菌，以開發(fā)合成SCOBY（Syn-SCOBY）系統(tǒng)。在細(xì)菌的纖維素生物膜生產(chǎn)階段，酵母細(xì)胞之間細(xì)菌的穩(wěn)定整合提供了一種在活性材料中可工程化的宿主細(xì)胞，該宿主細(xì)胞可以在DNA水平上合理地編程以完成專門的任務(wù)。因此，工程釀酒酵母可以在系統(tǒng)中充當(dāng)專業(yè)細(xì)胞，分泌蛋白質(zhì)，感應(yīng)化學(xué)和物理信號，并改變周圍纖維素的材料特性。根據(jù)ELM研究的目標(biāo)，作者證明了僅通過簡單的生長介質(zhì)即可在幾天之內(nèi)完整地生長并自組裝的材料可以實現(xiàn)所有這些功能。

文獻(xiàn)鏈接：Living materials with programmable functionalities grown from engineered microbial co-cultures, Nat. Mater., 2021, DOI:10.1101/2019.12.20.882472