新型酵母组装技术生产活体材料

我想象一条绷带，它可以在近乎瞬间将伤口缝合在一起。或者用于清洁有毒溢出物的过滤器，可以感知并适应其环境。这些只是由活细胞构建的材料可能的一些应用。

工程生物材料(ELM)理论上可以具有组织的特性，这意味着它们可以生长和自我繁殖。以前，科学家们已经成功地将细胞设计成可模塑材料，但要在不进行可能损害细胞的化学修饰的情况下精确控制和塑造它们的组装方式一直是一项挑战。

虽然科学家们能够通过雕刻生物膜构建蛋白来塑造由细菌细胞制成的ELM，但将真核细胞引导至它们应该去的地方更具挑战性。在11月4日发表在《科学进展》杂志上的一项研究中，科学家指导基因工程面包酵母(酿酒酵母)组装成ELM。在微型“镊子”的帮助下，他们能够在不进行化学修饰的情况下精确控制所得ELM的形状和大小。

“将生物功能引入材料中真的很困难，”说莱斯大学的合成生物学家SaraMolinari没有参与这项研究。尽管如此，这是一个值得追求的目标，因为“酵母对某些应用来说更好，”Molinari解释道。

为了尝试将真核细胞粘合在一起，作者在四种先前源自细菌的合成蛋白质中使用了所谓的超高亲和力蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)。顾名思义，这些相互作用会导致蛋白质极其紧密地相互夹紧。这些蛋白质成对出现，彼此形成牢固的PPI键，就像一把锁和钥匙：SpyTag和SpyCatcher，以及Im7和CL7。研究人员还利用了酵母通过弱相互作用形成菌落的自然倾向。

该团队将编码SpyTag、SpyCatcher、Im7和CL7的基因克隆到酵母中，然后酵母开始在细胞外膜上表达这些蛋白质。然后，研究人员使用光镊——一种使用激光操纵活细胞的非侵入性技术——将含有互补PPI形成蛋白的单个酵母细胞聚集在一起，并将其他细胞分开。这些镊子使研究人员能够测量细胞之间相互作用的强度，同时在微观水平上控制和评估活细胞组装的性质。

“我以前从未见过的一件事是使用光学镊子捕获单个细胞。我觉得那真的很酷，”Molinari说。

该论文称，该技术可用于生产具有有用功能的自繁殖ELM，例如从海水中提取铀，可用作可再生核能来源。研究人员在酵母中设计了一种铀螯合蛋白的生产，并发现该材料继续生长并产生更多的蛋白质。“海洋中蕴藏着巨大的铀储量，”香港科技大学化学家兼生物工程师孙飞在给《科学家》杂志的电子邮件中写道.“自生长的ELM具有生产高效铀结合配体的能力，可以为化学分离和能源行业面临的挑战提供具有成本效益的解决方案。”Sun与同事、化学工程师RichardLakerveld和生物物理学家JinqingHuang一起领导了这项研究。

研究人员还成功地将一种源自海洋蓝贻贝(Mytilusedulis)的粘性防水分子克隆到另一批酵母中，该酵母也含有SpyTag和SpyCatcher。这些细胞有效地将自己粘附在各种物体上，包括皮肤和玻璃。Sun说：“最终的ELM被证明是非常有效的生物胶”，可用于伤口愈合。

“工程生活材料。..[有]有望彻底改变材料领域”，Molinari说，新的应用(例如本研究中描述的应用)“令人鼓舞”。然而，她指出，使用这种方法组装的ELM的直径仍然小于20微米，在酵母形成大型宏观ELM之前，可能需要进行进一步的研究。

“总的来说，通过基因工程对单个细胞进行功能化并使用微流体和光镊将它们精确组装成结构化材料的能力为新型先进材料提供了丰富的平台，”Sun说。“这是前所未有的变革。”