19 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) 遺伝子操作された微生物は、生きた工場、診断ツール、環境浄化剤などとして驚くべき可能性を秘めています。しかし、その約束とは裏腹に、これらの生物は依然として注意深く管理された実験室環境に大部分が限定されており、自然環境や工業環境の変動する条件の中で繁殖することができません。操作された細胞は脆弱であるため、微生物溶液が大きな進歩をもたらす可能性がある製造、医療、持続可能性、宇宙探査の分野にわたる現実世界への影響は大幅に制限されています。
今回、中国の著名な機関の研究者らによって開発された独創的なバイオハイブリッド材料は、ついに、改変微生物を頑丈にカプセル化して保護輸送し、選択的に放出する手段を提供することになった。彼らのいわゆる「生きた種子」は、適応性の高い結晶性多孔質材料の一種である有機金属フレームワークで構築された保護殻の中に丈夫な細菌の胞子を組み込んでいます。この特殊な容器は、設計微生物を環境攻撃から守り、微生物の展開を正確に制御できるようにし、遺伝子的に強化された微生物が現実を再形成するために旅立つ新時代を切り開く可能性があります。
研究者らは研究結果を次のように発表した。 先端材料 (“Living Seed Materials Made by Metal–Organic Framework-Encapsulated バチルス・サブチリス Spore”)。
遺伝子組み換え物質をカプセル化することで 枯草菌 中の胞子 金属有機フレームワーク (MOF) の殻を利用して、研究者らは、過酷な条件下で微生物を保護しながら、増殖培地への制御された放出を可能にする「生きた種子」粒子を作成しました。このブレークスルーは、研究室ではうまく機能するものの、予測できない現実世界の環境では苦戦する傾向にある遺伝子組み換え生物 (GMO) 技術に対する長年の障壁に取り組みます。
植物の種子から巨大な木の成長をイメージした生きた種子材料のデザインを示す概略図。 a) 天然素材の植物種子のライフサイクル。被子植物の胚乳は、種子の発育中にナッツの殻を取り囲む核のコアシェル構造を形成します。 望ましい栄養豊富な環境では、種子は巨大な木に成長する可能性があります。 b) 植物の種子からインスピレーションを得て、MOF でカプセル化された胞子の生きた種子材料としての開発が提案されています。 遺伝子操作された細菌の胞子は、ZIF-8 コアシェル構造にカプセル化できます。 この生きた種子材料は、製造されると、特定の環境条件に反応して胞子を放出し、最終的には事前に設計された機能を備えた機能的な生きた細菌に発芽します。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載)
生きた種子のインスピレーションは自然から来ました。 植物の種子には、発芽の条件が整うまで、干ばつや紫外線などのストレスから胚の組織を守る保護的な外側のコーティングが含まれています。 研究者らは、有機リンカー分子によって架橋された金属ノードから形成される高度にカスタマイズ可能な多孔質材料のクラスであるMOFを使用して、この適応メカニズムを再現することを目指しました。
MOF は、高い表面積、構造的完全性、環境応答性などの有用な特性を備えています。 これらの特徴により、MOF は遺伝子操作された B を収容するための魅力的な容器となった。 DNAに高度な機能がプログラムされた枯草菌の胞子。 B. 枯草菌の胞子は、その耐久性と、栄養を与えると栄養細菌として復活する能力により選択されました。 胞子内で蛍光レポータータンパク質を発現させることで、チームは胞子から細菌への移行を視覚的に追跡することができた。
生きた種子の生産プロセスでは、胞子と金属イオンを小さな水滴に懸濁し、水相を油中で乳化し、各液滴の周囲に多孔質の ZIF-8 MOF シェルを沈殿させます。 これにより、内部空隙に胞子を含む均一な中空微小球が得られました。 この球体は、遮蔽されていない胞子を破壊する高熱、酸化漂白剤、紫外線照射などの過酷な処理中に内部胞子を保護しました。 ZIF-8 の分解速度は周囲の培地に依存するため、栄養素によって引き起こされる胞子放出の制御が可能になります。
放出された胞子は、増殖培地中でインキュベートすると、機能的に改変された細菌に正常に成熟しました。 デモンストレーションとして、研究者らはB. 化学物質 IPTG とクミン酸を感知するように設計された枯草菌。 放出後、細菌は、カプセル化されていない対応物と同等の感度閾値で標的化学物質に対する反応性を回復した。
このような環境制御された微生物の保存と復活は、現在工場や研究室などの制御された環境に限定されている微生物技術にとって刺激的な可能性を秘めています。 強化された回復力を与えることで、生きた種子の容器は、人間の胃腸系、汚染された水供給、さらには胞子を積んだ宇宙船が他の世界に到達した場合の地球外の地形などの予測不可能な場所で、機能的なGMOが役割を果たすことを可能にする可能性があります。 さらに、生きた種子の概念は、遺伝子組み換えや胞子形成が可能な他の微生物タイプにも一般化されるべきです。
この研究は、合成生物学と材料科学の画期的な融合を表しています。 生きた種子プラットフォームは、製造、治療、環境管理、宇宙探査の分野にわたる、人工微生物の新たな応用に利益をもたらすでしょう。 筆頭著者としてDr.
– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
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