麻省理工学院和帝国理工大学Nat. Mater.:从工程微生物共培养物中获得的具有可编程功能的活性材料

【引言】

生物系统以无法通过人造材料实现的方式组装具有先进特性的组织和结构。活性材料在温和的条件下会自行组装，具有自主模式，可以自我修复，感知并响应其环境。受此启发，工程生物材料（ELM）领域旨在利用基因工程生物来产生新型材料。细菌纤维素（BC）是一种生物材料，具有令人印象深刻的物理性能和较低的生产成本，是ELM的诱人基质。

【成果简介】

受植物如何从具有特殊细胞的组织中构建材料的启发，麻省理工学院和帝国理工大学开发了一种系统，该系统可通过添加经编程的酵母菌来制造新颖的基于BC的ELM，该酵母经过编程可为纤维素基质增加功能性状。这是通过合成的“细菌和酵母的共生培养物”（Syn-SCOBY）方法实现的，该方法使用了酿酒酵母与根瘤菌芽孢杆菌的稳定共培养。Syn-SCOBY方法可将工程细胞接种到简单的生长培养基中，并在温和的条件下在几天内自动组装具有基因可编程功能特性的材料。共培养的酵母可以被工程化为向BC分泌酶，产生自主生长的催化材料，并实现BC散装材料特性的DNA编码修饰。作者进一步开发了一种将酿酒酵母掺入不断增长的纤维素基质中的方法，从而创造出可以感知化学和光学输入的生物材料。这使能够检测和响应环境污染物的动态传感器材料以及能够根据投影图案生长图像的动态胶片的生长成为可能。这种新颖而强大的Syn-SCOBY系统使基于BC的ELM的可持续生产成为可能。该成果以题为“Living materials with programmable functionalities grown from engineered microbial co-cultures”发表在Nat. Mater.上。

【图文导读】

图1.与酿酒酵母和根瘤菌一起培养Syn-SCOBY共培养物

（a）天然活性材料与工程活性材料之间的比较（b）BC薄膜的图 （c）自制的红茶菌（d）生长3天的鼠李糖单胞菌和酿酒酵母的单培养和共培养图像 （e）在YPS培养基中生长的由R. rhaeticus Kr RFP和S. cerevisiae yWS167组成的共培养物的细胞计数

图2.Syn-SCOBYs生产酶功能化的BC材料

（a）将产生BC的细菌与可工程改造的酿酒酵母酵母共培养以产生ELM的示意图 （b）图解功能化概念的示意图 （c）分泌BLA的酵母菌株yCG04(BLA)和yCG05(BLA-CBD)（d）在存在β-内酰胺酶的情况下，硝基生物素从黄色底物转化为红色产物 （e-f）用切开的天然湿防护膜样品以及干燥后再与啤酒酵母BY4741(WT)，yCG04(BLA)和yCG05(BLA-CBD)共培养的再水合防护膜样品进行硝菌素测定 （g）从天然水合防护膜（湿膜）和干燥后的防护膜中计算出绝对的β-内酰胺酶活性，然后在指定的时间段内重新水合 （h）Xel-gal通过Mel1酶从无色底物转化为蓝色产物 （i）对X-α-gal进行湿法和干燥法测定，然后与分泌GFP的菌株yCG01（-ive）或分泌Mel1的菌株（yCG21）共培养的复膜薄膜样品进行水合 （j）漆酶将ABTS从无色底物转化为绿色产物 （k）ABTS分析是用湿的和干燥的然后再水合的来自与GFP分泌菌株yCG01（-ive）或分泌CtLcc1的菌株（yCG18）共培养的防护膜样品进行的

图3.啤酒酵母细胞在BC材料中的掺入

（a）修饰的培养基密度有助于将酿酒酵母细胞掺入防护膜中 （b）在有或没有45％OptiPrep的YPS培养基中制备鼠疫克雷伯菌Kr RFP和啤酒酵母yWS167的共培养物 （c）分离自K.rhaeticus Kr RPF和S.cerevisiae yWS167的YPS和YPS + OptiPrep共培养物的防护膜 （d）酵母菌落形成单位（CFU）从使用K.rhaeticus Kr RPF和S.cerevisiae yWS167生长在YPS和YPS + OptiPrep中的薄膜中计数 （e）薄膜的Brunauer-Emmett-Teller（BET）表面积 （f）薄膜的底部表面和横截面的SEM样本图像

图4.修改BC物理材料属性

（a）yCelMix细胞从防护膜的底表面将纤维素酶分泌到周围的微环境中（b）yCelMix纤维素酶分泌菌株的结构示意图 （c）分泌不同纤维素酶的酿酒酵母生长2天后的标准化防护膜干重 （d）干燥的WT和yCelMix防护膜的应力-应变曲线 （e-g）由（d）中的数据计算得出的断裂拉伸强度，断裂应变和杨氏模量（h-i）通过1 rad/s的应变扫描和1％应变的频率扫描测量的WT和yCelMix防护膜的流变特性

图5.经过精心设计的共同文化可以培养出活生生的BC感应材料

（a）图解感测和响应薄膜功能的示意图 （b）遗传yGPH093电路示意图 （c）测试生物传感器防护膜。 将含有BY4741（WT）或β-雌二醇（BED）响应型（yGPH093）酵母的小球与OptiPrep一起培养 （d）可以将已掺入啤酒酵母的皮膜干燥，保存，然后通过在有或没有诱导剂的新鲜培养基中孵育来复活 （e-f）将yGPH093掺入的干燥防护膜在存在或不存在BED的情况下于环境中储存1天或4个月后，在新鲜培养基中孵育 （g）yCG23构建体设计示意图 （h）收集、清洗并分泌含有GFP的yCG01菌株（WT）和yCG23的YPS-OptiPrep共培养物的天然湿膜，并接种到有或没有BED的新鲜培养基中

图6.酶功能化BC材料的光学图案

（a）光遗传学电路的示意图 （b）两种功能化模式的示意图 （c）3天后在黑暗或光线下生长的防护膜 （d）yN纤维素和yNurface防护膜在黑暗中生长，然后在面罩下暴露于光线下4个小时 （e）在黑暗中生长的yN纤维素和yNurface防护膜暴露于由投影仪产生的复杂图案

【小结】

作者在这个工作中重新构建细菌，以开发合成SCOBY（Syn-SCOBY）系统。在细菌的纤维素生物膜生产阶段，酵母细胞之间细菌的稳定整合提供了一种在活性材料中可工程化的宿主细胞，该宿主细胞可以在DNA水平上合理地编程以完成专门的任务。因此，工程酿酒酵母可以在系统中充当专业细胞，分泌蛋白质，感应化学和物理信号，并改变周围纤维素的材料特性。根据ELM研究的目标，作者证明了仅通过简单的生长介质即可在几天之内完整地生长并自组装的材料可以实现所有这些功能。

文献链接：Living materials with programmable functionalities grown from engineered microbial co-cultures, Nat. Mater., 2021, DOI:10.1101/2019.12.20.882472

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。