19 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk聚光灯)基因工程微生物作为活工厂、诊断工具、环境清洁剂等具有惊人的潜力。然而,尽管它们有很多希望,但这些生物体在很大程度上仍然局限于严格控制的实验室环境中,无法在自然和工业栖息地的多变条件下繁衍生息。工程细胞的脆弱性严重限制了它们在制造、医疗保健、可持续发展和太空探索领域的现实影响,而微生物解决方案可以在这些领域推动巨大进步。现在,由中国著名机构的研究人员开发的一种巧妙的生物混合材料终于提供了一种坚固封装修饰微生物以进行庇护运输和选择性释放的方法。他们所谓的“活种子”将耐寒的细菌孢子整合到由金属有机框架制成的保护壳内,金属有机框架是一种高度适应性的结晶多孔材料。这种专用容器可以保护设计微生物免受环境攻击,对生物体部署进行精确控制,并可能开启一个新时代,让基因增强的微生物重塑现实。研究人员发表了他们的研究结果 先进材料 (“Living Seed Materials Made by Metal–Organic Framework-Encapsulated 枯草芽孢杆菌 Spore”)。通过封装转基因 枯草芽孢杆菌 里面有孢子 金属有机框架 (MOF)壳,研究人员创造了“活种子”颗粒,可以在恶劣条件下保护微生物,同时允许控制释放到生长介质中。这一突破解决了转基因生物(GMO)技术长期存在的障碍,该技术往往在实验室中表现良好,但在不可预测的现实环境中却举步维艰。
示意图显示了活种子材料的设计,其灵感来自于植物种子长成的巨树。 a) 天然材料植物种子的生命周期;被子植物的胚乳在种子发育过程中形成围绕果壳的内核的核壳结构。 在理想的营养丰富的环境中,种子可以长成参天大树。 b) 受植物种子的启发,提出开发 MOF 封装的孢子作为活种子材料。 工程细菌的孢子可以封装在 ZIF-8 核壳结构中。 一旦制成,这种活种子材料可以响应特定的环境条件并释放孢子,然后最终发芽成具有预先设计特征的功能性活细菌。 (经 Wiley-VCH Verlag 许可转载)活种子的灵感来自大自然。 植物种子含有保护性外层,可以保护胚胎组织免受干旱和紫外线辐射等压力的影响,直到发芽条件成熟。 研究人员的目标是使用 MOF 重建这种自适应机制,MOF 是一种高度可定制的多孔材料,由有机连接分子桥接的金属节点形成。
MOF 具有高表面积、结构完整性和环境响应性等有用特性。 这些特性使 MOF 成为用于容纳基因工程芽孢杆菌的有吸引力的容器。 枯草芽孢杆菌孢子的 DNA 中已编程了先进的功能。 B. 枯草芽孢杆菌孢子之所以被选中,是因为它们的耐寒性和在受到滋养时能够复活为营养细菌的能力。 通过在孢子中表达荧光报告蛋白,研究小组可以直观地跟踪孢子到细菌的转变。
活种子的生产过程需要将孢子和金属离子悬浮在微小的水滴中,乳化油中的水相,然后在每个水滴周围沉淀出多孔的 ZIF-8 MOF 壳。 这产生了均匀的中空微球,其内部空隙中含有孢子。 这些球体在高温、氧化漂白剂和紫外线照射等严酷处理过程中保护内部孢子,这些处理会破坏未屏蔽的孢子。 ZIF-8 的降解率取决于周围的介质,从而能够控制营养物触发的孢子释放。
当在生长培养基中孵育时,释放的孢子成功成熟为功能性工程细菌。 作为演示,研究人员准备了含有 B. subtilis 旨在感应化学物质 IPTG 和异丙苯酸。 释放后,细菌恢复了对目标化学物质的响应,其敏感性阈值与未封装的细菌相当。
这种环境受控的工程微生物保存和复兴为目前仅限于工厂和实验室等受控环境的微生物技术带来了令人兴奋的可能性。 通过增强弹性,活种子容器可以让功能性转基因生物在不可预测的环境中发挥作用,例如人类胃肠系统、受污染的水源,甚至在载有孢子的航天器到达其他世界时甚至是外星地形。 此外,活种子概念应推广到可进行基因改造和孢子形成的其他微生物类型。
该研究代表了合成生物学和材料科学的突破性结合。 活种子平台将有利于工程微生物在制造、治疗、环境管理和太空探索领域的新兴应用。 作为主要作者博士。
– Michael 是皇家化学学会三本书的作者:
纳米社会:突破技术边界,
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