【中国科学报】“活材料”快速开发有了新范式
2023-11-30 中国科学报 刁雯蕙
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近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员钟超课题组、研究员周佳海课题组与深圳未知君生物科技有限公司团队合作，结合生物信息学、结构生物学和合成生物学的技术方法，实现了对合成特定生物聚合物菌株的高通量挖掘和筛选、生物聚合物组装机制的解析以及新型“活材料”的理性设计，搭建出快速开发新型“活材料”的信息技术（IT）+生物技术（BT）的新范式。相关研究近日发表于《自然-化学生物学》。
工程“活材料”领域，是合成生物学与材料科学领域交叉发展衍生出的新兴领域。自组装的活体功能材料是当前“活材料”的重要组成部分，它由细胞和其自编程的生物聚合物共同组成。自组装的活体功能材料具有自生长、自适应、可进化等“活”的生命属性，并在生物传感、生物修复、疾病治疗和智能材料制备等领域展现出广阔的发展前景。然而，在当前自组装的活体功能材料开发中，具有可编程生物聚合物基元的底盘细胞匮乏，使构筑具有更多功能且满足不同应用场景需要的微生物“活材料”受限，成为阻碍工程“活材料”领域进一步发展的重要因素。
为了解决上述问题，研究团队首先开发了软件BBSniffer，挖掘自然界中可合成特定生物聚合物的菌株，并为使用者推荐可用于工程化新型“活材料”的底盘细胞。以共价交联型菌毛（Spa菌毛）为例，研究团队根据BBSniffer生成的候选菌株列表，选取易培养且基因组可编辑的工业菌株谷氨酸棒状杆菌，作为下一步开发基于Spa菌毛的新型微生物“活材料”的底盘细胞。
以BBSniffer推荐的工业菌株谷氨酸棒状杆菌为研究对象，通过基因敲除和形貌表征的方法，研究人员揭示了该菌株中Spa菌毛由次要蛋白Spa1、Spa2和骨架蛋白Spa2共同组成。
通过质谱鉴定，研究团队揭示了分选酶催化Spa2单体间缩合，形成分子间的异肽键，实现骨架蛋白单体间的聚合，并在此基础上，对Spa菌毛的骨架蛋白Spa2进行理性设计，构建出了基于Spa菌毛的新型可编程细胞外蛋白质支架。此外，研究者通过结合工程细胞具备的细胞外降解纤维素为葡萄糖的能力，以及细胞内转化葡萄糖为高附加值化合物的能力，构筑出可将废弃物转化为高附加值化合物的新型活体功能材料。
“利用IT，我们实现了对自然界中生产生物聚合物菌株的挖掘、分类以及分析，可以快速找到易工程化的非致病菌株作为新型‘活材料’的底盘细胞；利用BT，则实现了对挖掘到的底盘细胞中生物聚合物机制的解析，推进可编程生物聚合物的设计，并实现新型‘活材料’的快速构筑。”论文共同通讯作者钟超表示，该研究将加速新型“活材料”的开发。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41589-023-01489-x
（原载于《中国科学报》 2023-11-30 第1版 要闻）
近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员钟超课题组、研究员周佳海课题组与深圳未知君生物科技有限公司团队合作，结合生物信息学、结构生物学和合成生物学的技术方法，实现了对合成特定生物聚合物菌株的高通量挖掘和筛选、生物聚合物组装机制的解析以及新型“活材料”的理性设计，搭建出快速开发新型“活材料”的信息技术（IT）+生物技术（BT）的新范式。相关研究近日发表于《自然-化学生物学》。工程“活材料”领域，是合成生物学与材料科学领域交叉发展衍生出的新兴领域。自组装的活体功能材料是当前“活材料”的重要组成部分，它由细胞和其自编程的生物聚合物共同组成。自组装的活体功能材料具有自生长、自适应、可进化等“活”的生命属性，并在生物传感、生物修复、疾病治疗和智能材料制备等领域展现出广阔的发展前景。然而，在当前自组装的活体功能材料开发中，具有可编程生物聚合物基元的底盘细胞匮乏，使构筑具有更多功能且满足不同应用场景需要的微生物“活材料”受限，成为阻碍工程“活材料”领域进一步发展的重要因素。为了解决上述问题，研究团队首先开发了软件BBSniffer，挖掘自然界中可合成特定生物聚合物的菌株，并为使用者推荐可用于工程化新型“活材料”的底盘细胞。以共价交联型菌毛（Spa菌毛）为例，研究团队根据BBSniffer生成的候选菌株列表，选取易培养且基因组可编辑的工业菌株谷氨酸棒状杆菌，作为下一步开发基于Spa菌毛的新型微生物“活材料”的底盘细胞。以BBSniffer推荐的工业菌株谷氨酸棒状杆菌为研究对象，通过基因敲除和形貌表征的方法，研究人员揭示了该菌株中Spa菌毛由次要蛋白Spa1、Spa2和骨架蛋白Spa2共同组成。通过质谱鉴定，研究团队揭示了分选酶催化Spa2单体间缩合，形成分子间的异肽键，实现骨架蛋白单体间的聚合，并在此基础上，对Spa菌毛的骨架蛋白Spa2进行理性设计，构建出了基于Spa菌毛的新型可编程细胞外蛋白质支架。此外，研究者通过结合工程细胞具备的细胞外降解纤维素为葡萄糖的能力，以及细胞内转化葡萄糖为高附加值化合物的能力，构筑出可将废弃物转化为高附加值化合物的新型活体功能材料。“利用IT，我们实现了对自然界中生产生物聚合物菌株的挖掘、分类以及分析，可以快速找到易工程化的非致病菌株作为新型‘活材料’的底盘细胞；利用BT，则实现了对挖掘到的底盘细胞中生物聚合物机制的解析，推进可编程生物聚合物的设计，并实现新型‘活材料’的快速构筑。”论文共同通讯作者钟超表示，该研究将加速新型“活材料”的开发。相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41589-023-01489-x （原载于《中国科学报》 2023-11-30 第1版 要闻）
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责任编辑：梁春雨
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