麻省理工學院和帝國理工大學Nat. Mater.:從工程微生物共培養物中獲得的具有可編程功能的活性材料

【引言】

生物系統以無法通過人造材料實現的方式組裝具有先進特性的組織和結構。活性材料在溫和的條件下會自行組裝，具有自主模式，可以自我修復，感知并響應其環境。受此啟發，工程生物材料（ELM）領域旨在利用基因工程生物來產生新型材料。細菌纖維素（BC）是一種生物材料，具有令人印象深刻的物理性能和較低的生產成本，是ELM的誘人基質。

【成果簡介】

受植物如何從具有特殊細胞的組織中構建材料的啟發，麻省理工學院和帝國理工大學開發了一種系統，該系統可通過添加經編程的酵母菌來制造新穎的基于BC的ELM，該酵母經過編程可為纖維素基質增加功能性狀。這是通過合成的“細菌和酵母的共生培養物”（Syn-SCOBY）方法實現的，該方法使用了釀酒酵母與根瘤菌芽孢桿菌的穩定共培養。Syn-SCOBY方法可將工程細胞接種到簡單的生長培養基中，并在溫和的條件下在幾天內自動組裝具有基因可編程功能特性的材料。共培養的酵母可以被工程化為向BC分泌酶，產生自主生長的催化材料，并實現BC散裝材料特性的DNA編碼修飾。作者進一步開發了一種將釀酒酵母摻入不斷增長的纖維素基質中的方法，從而創造出可以感知化學和光學輸入的生物材料。這使能夠檢測和響應環境污染物的動態傳感器材料以及能夠根據投影圖案生長圖像的動態膠片的生長成為可能。這種新穎而強大的Syn-SCOBY系統使基于BC的ELM的可持續生產成為可能。該成果以題為“Living materials with programmable functionalities grown from engineered microbial co-cultures”發表在Nat.?Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.與釀酒酵母和根瘤菌一起培養Syn-SCOBY共培養物

（a）天然活性材料與工程活性材料之間的比較（b）BC薄膜的圖 （c）自制的紅茶菌（d）生長3天的鼠李糖單胞菌和釀酒酵母的單培養和共培養圖像 （e）在YPS培養基中生長的由R. rhaeticus Kr RFP和S. cerevisiae yWS167組成的共培養物的細胞計數

圖2.Syn-SCOBYs生產酶功能化的BC材料

（a）將產生BC的細菌與可工程改造的釀酒酵母酵母共培養以產生ELM的示意圖 （b）圖解功能化概念的示意圖 （c）分泌BLA的酵母菌株yCG04(BLA)和yCG05(BLA-CBD)（d）在存在β-內酰胺酶的情況下，硝基生物素從黃色底物轉化為紅色產物 （e-f）用切開的天然濕防護膜樣品以及干燥后再與啤酒酵母BY4741(WT)，yCG04(BLA)和yCG05(BLA-CBD)共培養的再水合防護膜樣品進行硝菌素測定 （g）從天然水合防護膜（濕膜）和干燥后的防護膜中計算出絕對的β-內酰胺酶活性，然后在指定的時間段內重新水合 （h）Xel-gal通過Mel1酶從無色底物轉化為藍色產物 （i）對X-α-gal進行濕法和干燥法測定，然后與分泌GFP的菌株yCG01（-ive）或分泌Mel1的菌株（yCG21）共培養的復膜薄膜樣品進行水合 （j）漆酶將ABTS從無色底物轉化為綠色產物 （k）ABTS分析是用濕的和干燥的然后再水合的來自與GFP分泌菌株yCG01（-ive）或分泌CtLcc1的菌株（yCG18）共培養的防護膜樣品進行的

圖3.啤酒酵母細胞在BC材料中的摻入

（a）修飾的培養基密度有助于將釀酒酵母細胞摻入防護膜中 （b）在有或沒有45％OptiPrep的YPS培養基中制備鼠疫克雷伯菌Kr RFP和啤酒酵母yWS167的共培養物 （c）分離自K.rhaeticus Kr RPF和S.cerevisiae yWS167的YPS和YPS + OptiPrep共培養物的防護膜 （d）酵母菌落形成單位（CFU）從使用K.rhaeticus Kr RPF和S.cerevisiae yWS167生長在YPS和YPS + OptiPrep中的薄膜中計數 （e）薄膜的Brunauer-Emmett-Teller（BET）表面積 （f）薄膜的底部表面和橫截面的SEM樣本圖像

圖4.修改BC物理材料屬性

（a）yCelMix細胞從防護膜的底表面將纖維素酶分泌到周圍的微環境中（b）yCelMix纖維素酶分泌菌株的結構示意圖 （c）分泌不同纖維素酶的釀酒酵母生長2天后的標準化防護膜干重 （d）干燥的WT和yCelMix防護膜的應力-應變曲線 （e-g）由（d）中的數據計算得出的斷裂拉伸強度，斷裂應變和楊氏模量（h-i）通過1 rad/s的應變掃描和1％應變的頻率掃描測量的WT和yCelMix防護膜的流變特性

圖5.經過精心設計的共同文化可以培養出活生生的BC感應材料

（a）圖解感測和響應薄膜功能的示意圖 （b）遺傳yGPH093電路示意圖 （c）測試生物傳感器防護膜。 將含有BY4741（WT）或β-雌二醇（BED）響應型（yGPH093）酵母的小球與OptiPrep一起培養 （d）可以將已摻入啤酒酵母的皮膜干燥，保存，然后通過在有或沒有誘導劑的新鮮培養基中孵育來復活 （e-f）將yGPH093摻入的干燥防護膜在存在或不存在BED的情況下于環境中儲存1天或4個月后，在新鮮培養基中孵育 （g）yCG23構建體設計示意圖 （h）收集、清洗并分泌含有GFP的yCG01菌株（WT）和yCG23的YPS-OptiPrep共培養物的天然濕膜，并接種到有或沒有BED的新鮮培養基中

圖6.酶功能化BC材料的光學圖案

（a）光遺傳學電路的示意圖 （b）兩種功能化模式的示意圖 （c）3天后在黑暗或光線下生長的防護膜 （d）yN纖維素和yNurface防護膜在黑暗中生長，然后在面罩下暴露于光線下4個小時 （e）在黑暗中生長的yN纖維素和yNurface防護膜暴露于由投影儀產生的復雜圖案

【小結】

作者在這個工作中重新構建細菌，以開發合成SCOBY（Syn-SCOBY）系統。在細菌的纖維素生物膜生產階段，酵母細胞之間細菌的穩定整合提供了一種在活性材料中可工程化的宿主細胞，該宿主細胞可以在DNA水平上合理地編程以完成專門的任務。因此，工程釀酒酵母可以在系統中充當專業細胞，分泌蛋白質，感應化學和物理信號，并改變周圍纖維素的材料特性。根據ELM研究的目標，作者證明了僅通過簡單的生長介質即可在幾天之內完整地生長并自組裝的材料可以實現所有這些功能。

文獻鏈接：Living materials with programmable functionalities grown from engineered microbial co-cultures, Nat. Mater., 2021, DOI:10.1101/2019.12.20.882472

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。