19년 2023월 XNUMX일(나노 워크 스포트라이트) 유전자 조작 미생물은 살아있는 공장, 진단 도구, 환경 세척제 등으로 놀라운 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 이러한 모든 가능성에도 불구하고 이러한 유기체는 세심하게 통제되는 실험실 환경에 대부분 국한되어 있으며 자연 및 산업 서식지의 다양한 조건에서 번성할 수 없습니다. 조작된 세포의 취약성으로 인해 미생물 솔루션이 엄청난 발전을 이룰 수 있는 제조, 의료, 지속 가능성 및 우주 탐사 분야 전반에 걸쳐 실제 영향을 심각하게 제한했습니다.
이제 저명한 중국 기관의 연구자들이 개발한 독창적인 바이오하이브리드 물질이 마침내 보호된 수송 및 선택적 방출을 위해 변형된 미생물을 견고하게 캡슐화하는 수단을 제공합니다. 소위 "살아있는 씨앗"은 적응성이 뛰어난 결정질 다공성 물질인 금속-유기 골격으로 만들어진 보호 껍질 내부에 튼튼한 박테리아 포자를 통합합니다. 이 특수 선박은 환경 공격으로부터 설계 미생물을 보호하고, 유기체 배치에 대한 정밀한 제어를 제공하며, 유전적으로 강화된 미생물이 현실을 바꾸기 위해 여행하는 새로운 시대를 열 수 있습니다.
연구진은 자신들의 연구 결과를 다음과 같이 발표했습니다. 고급 재료 (“Living Seed Materials Made by Metal–Organic Framework-Encapsulated 바실러스 서브 틸리스 Spore”).
유전자 변형 캡슐화하여 고초균 내부의 포자 금속 유기 골격 (MOF) 껍질을 사용하여 연구원들은 적대적인 조건에서 미생물을 보호하는 동시에 성장 배지로 제어된 방출을 허용하는 "살아있는 종자" 입자를 만들었습니다. 이 획기적인 발전은 실험실에서는 잘 작동하지만 예측할 수 없는 실제 환경에서는 어려움을 겪는 유전자 변형 유기체(GMO) 기술의 오랜 장벽을 해결합니다.
식물의 씨앗에서 거대한 나무가 자라는 모습에서 영감을 받아 살아있는 씨앗 재료의 디자인을 보여주는 개략도입니다. a) 천연물질의 식물종자의 생애주기 속씨 식물의 배유는 종자 발달 중에 간단히 말하면 껍질을 둘러싸는 커널의 핵심-껍질 구조를 형성합니다. 영양이 풍부한 바람직한 환경에서는 씨앗이 거대한 나무로 자랄 수 있습니다. b) 식물 종자에서 영감을 얻어 MOF로 캡슐화된 포자를 살아있는 종자 물질로 개발하는 것이 제안됩니다. 조작된 박테리아의 포자는 ZIF-8 코어-쉘 구조로 캡슐화될 수 있습니다. 일단 제작되면 이 살아있는 종자 물질은 특정 환경 조건에 반응하고 포자를 방출할 수 있으며, 포자는 결국 미리 설계된 기능을 갖춘 기능성 살아있는 박테리아로 발아합니다. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄됨)
살아있는 씨앗에 대한 영감은 자연에서 나왔습니다. 식물 씨앗에는 발아하기에 적합한 조건이 될 때까지 가뭄이나 자외선과 같은 스트레스로부터 배아 조직을 보호하는 외부 보호 코팅이 포함되어 있습니다. 연구진은 유기 링커 분자로 연결된 금속 노드로 형성된 고도로 맞춤화 가능한 다공성 물질 클래스인 MOF를 사용하여 이러한 적응 메커니즘을 재현하는 것을 목표로 했습니다.
MOF는 높은 표면적, 구조적 완전성 및 환경 반응성과 같은 유용한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 MOF는 유전자 조작 B를 수용할 수 있는 매력적인 용기가 되었습니다. DNA에 고급 기능이 프로그래밍된 서브틸리스 포자. B. 서브틸리스 포자는 영양을 공급받을 때 영양 박테리아로 다시 살아나는 능력과 견고함 때문에 선택되었습니다. 포자에서 형광 리포터 단백질을 발현함으로써 연구팀은 포자에서 박테리아로의 전환을 시각적으로 추적할 수 있었습니다.
살아있는 종자 생산 과정은 포자와 금속 이온을 작은 물방울에 부유시키고, 수성상을 기름에 유화시킨 다음, 각 물방울 주위에 다공성 ZIF-8 MOF 껍질을 침전시키는 과정을 수반했습니다. 이로써 내부 공극 공간에 포자가 포함된 균일하고 속이 빈 미세구가 생성되었습니다. 구체는 고열, 산화 표백제, 보호되지 않은 포자를 파괴하는 UV 조사와 같은 가혹한 처리 중에 내부 포자를 보호했습니다. ZIF-8 분해 속도는 주변 매체에 따라 달라지므로 영양에 의해 유발되는 포자 방출을 제어할 수 있습니다.
방출된 포자는 성장 배지에서 배양했을 때 기능적으로 조작된 박테리아로 성공적으로 성숙되었습니다. 시연으로 연구자들은 B. subtilis는 IPTG와 큐민산이라는 화학 물질을 감지하도록 설계되었습니다. 방출 후 박테리아는 캡슐화되지 않은 대응물과 비교할 수 있는 민감도 임계값에서 표적 화학물질에 대한 반응성을 회복했습니다.
이러한 환경적으로 통제되는 공학적 미생물의 보존과 부활은 현재 공장이나 실험실과 같은 통제된 환경에 국한된 미생물 기술에 대한 흥미로운 가능성을 담고 있습니다. 강화된 회복력을 부여함으로써 살아있는 종자 용기는 기능성 GMO가 인간의 위장 시스템, 오염된 물 공급, 심지어 포자가 담긴 우주선이 다른 세계에 도달하는 경우 외계 지형과 같은 예측할 수 없는 지역에서 역할을 수행할 수 있도록 허용할 수 있습니다. 또한, 살아있는 종자 개념은 유전자 변형 및 포자형성이 가능한 다른 미생물 유형에도 일반화되어야 합니다.
이 연구는 합성생물학과 재료과학의 획기적인 결합을 보여줍니다. 살아있는 종자 플랫폼은 제조, 치료, 환경 관리 및 우주 탐사 영역 전반에 걸쳐 공학적 미생물의 새로운 응용 분야에 도움이 될 것입니다. 수석 저자인 Dr.
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마이클
버거
– Michael은 Royal Society of Chemistry에서 다음 세 권의 책을 저술했습니다.
나노 사회 : 기술의 경계를 넓히다,
나노 기술 : 미래는 작다및
나노 엔지니어링 : 기술을 보이지 않게하는 기술과 도구
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