科研進展

深圳先進院合成生物學領域生物智造研究取得新進展

時間:2019-09-20  來源:合成所(籌)定量合成生物學研究中心 文本大?。骸?a href="javascript:doZoom(16)">大 |  | 】  【打印

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院合成所合成基因組中心戴卓君副研究員與杜克大學生物醫學工程系游凌沖教授合作,通過結合工程細菌與智能材料實現生物智造。相關結果于9月16日發表在Nature Chemical Biology。戴卓君副研究員為第一作者,杜克大學生物醫學工程系游凌沖教授為通訊作者。 

  現階段的蛋白生產工藝依賴于完善且昂貴的基礎建設及精密設備。以大腸桿菌作為模式生物為例:細菌首先在發酵罐內發酵,之后通過收獲和破碎,釋放細菌內部表達的蛋白;得到的混合物通過大型離心機離心或者過濾方法分離上清和細胞碎片,上清在收集之后進行進一步的純化。雖然現代的蛋白生產已具備成熟的工藝流程,但是其生產模式嚴重缺乏機動性與靈活性:一方面,現有的工藝流程,尤其是下游處理的每一步都需要良好的基礎建設及大型的精密儀器設備,難以滿足落后偏遠地區、緊急狀態(災害、交通鏈斷裂等)、以及戰地情況的蛋白試劑需求。另一方面,精準醫療的迅猛發展提出針對患者個體的小劑量、定制化、快速高效的蛋白生產。這些要求都對傳統蛋白生產的模式提出了巨大挑戰。 

  基于現有的問題,研究團隊提出了一個全新的設計:通過建立工程細菌與智能材料的雙向響應,實現集成(integrated)的蛋白表達、釋放、分離與運輸。設計思路如圖1所示,通過利用智能微膠囊包裹植入基因線路的大腸桿菌(MSB, Microbial Swarmbot):一方面,細菌在膠囊中生長達到一定密度后,感知到膠囊的物理空間局限從而自主裂解,釋放出體內表達的蛋白(來自工程細菌的針對材料的響應);另一方面,細菌的生長改變了環境的pH, 離子強度等,促使智能微膠囊實現從溶漲到收縮的轉換(來自智能膠囊的針對細菌的響應)。膠囊尺寸的變化帶來的擠出效應將細菌釋放出的目標蛋白高效的從膠囊內部輸送到外部,而膠囊的三維網絡交聯結構限制了活細菌的運動,有效的起到分離作用。系統通過培養基的置換重置到起始狀態,此時膠囊恢復溶漲,細菌從低密度開始生長,從而實現持續的蛋白生產。 

  為進一步展示MSB平臺優勢以及潛在的應用場景,研究人員嘗試在平臺下游接入多種不同應用。包括利用微流控系統展示蛋白(β-內酰胺酶)的表征;在下游接入不同的純化???,實現單種、或多種蛋白(包括多種藥物制劑蛋白)的一體式純化;檢測兩種蛋白的偶聯反應(利用FRET效應);通過物理隔離的菌群分工合作得到更高性能的酶產物;以及重構體外的脂肪酸合成通路合成脂肪酸等。我們的實驗數據表明MSB可持續工作約7天;在合適的保存條件下,MSB可保存相當長的時間不影響其效果;只需要加入培養基,重懸MSB,培養,就可以直接通過下游接入純化??櫚玫醬炕蟮牡鞍資約?。 

  該工作中采用一種全新的思路,集成蛋白表達下游處理中的關鍵步驟,對解決蛋白生產中靈活性與機動性具有重要的意義。與無細胞系統相比,該設計引入了更高生產效率的工程細菌并增加了產物的分離功能;與分泌性表達相比,該系統不只局限于那些可被分泌表達的蛋白,極大的增加了平臺的普適性。 

  論文鏈接 

[video:Multiple cycles]

視頻:結合合成生物學與材料工程實現蛋白表達、釋放、分離與運輸的一體化。工程細菌與智能材料的雙向響應實現生物智造:工程細菌在膠囊中生長達到一定密度后,感知到膠囊的物理空間局限(群體感應)從而自主裂解,釋放出體內表達的蛋白;細菌的生長改變了環境的pH, 離子強度等,促使智能微膠囊實現從溶漲到收縮的轉換,擠出釋放的目標蛋白。系統通過培養基的置換重置到起始狀態。