7月5日,中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君课题组的最新研究成果发表于Nature Communications。研究团队在人工合成微生物群落领域,针对跨物种菌群因为竞争关系难以稳定共存的问题,提出了一种人工空间隔离的策略及方法,灵活、精确的构建了稳定的跨物种微生物群落。并可控组装了多种合成菌群,实现了生物合成34酶体系、针对污染物的生物降解、跨物种菌群间的分工与通讯、以及光合菌群的构建。文章的第一作者为戴卓君课题组王林(技术员),课题组张曦(工程师)及唐琛望(研究助理)也对文章工作做出了重要贡献。
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-31467-1
合成微生物群落在合成生物学研究领域中获得了越来越多的关注,因其具有个体种群所不具备的特征和功能。例如,菌群成员可以通过信号分子交换、检测并相互响应等方式进行单向、双向甚至多向交流;菌群成员可以通过分工执行不同的任务,从而使整个菌群可以实现单一菌株无法完成的复杂功能;群落成员之间的相互协调,保证了群落结构和功能的稳定。在自然界中,微生物群落在多个方面发挥着重要作用。例如,土壤中的微生物群落可以参与碳循环,并在固氮和分解有机物等环节发挥重要作用。肠道微生物群落在代谢营养物质和防止病原体入侵方面发挥着关键作用。因此,具备合成微生物群落的能力并可以精准调控其组分可以潜在的造福于包括生物制造、生物医学和生物修复在内的多个领域。
受大自然的启发,研究团队开发了一种人工的空间分隔方法来构建由单一或多物种组成的合成微生物群落(图1)。科研人员通过交联的凝胶网络构建尺寸为~400微米的微球并包裹微生物 (Microbial swarmbot, MSB)。微球的三维网状交联结构允许小分子(营养物质、信号分子和代谢物)及生物大分子(蛋白质)的自由扩散,但会限制微球内的微生物的运动。因此,每个MSB代表一个可以与其他MSB交互的亚群。通过将包含不同亚群的MSB进行组合,科研人员进一步构建了微生物群落(Microbial swarmbot consortia,MSBC)。由于MSB具有相对独立的生长空间和明确的承载上限。所以,即使菌群中种群的分裂时间不匹配也可以平衡增长。
b. MSBC平台可实现多种应用,例如,MSBC(单一物种)可以共同制造多酶系统;MSBC的不同微生物可以进行分工和交流;光合自养MSBC可以通过光养型微生物将二氧化碳转化为碳源,以维持异养型微生物的生长。
研究团队首先验证了MSB环境中不同的微生物可以正常生长、代谢并行使特定的生物学功能(表达目标蛋白等)。例如,团队分别构建了大肠杆菌,酿酒酵母及毕赤酵母的MSB,并验证了其可以在MSB环境下生长并表达目的蛋白或小分子(大麻萜酚酸)。之后进一步构建了含有34 MSB的同物种MSBC(大肠杆菌), 并实现了体外蛋白合成机器PURE (protein synthesis using recombinant elements)的一步组装(图2)。
研究人员进一步设计了三种不同的MSB,其中包含大肠杆菌(蓝色荧光标记)、酿酒酵母(绿色荧光标记)或谷氨酸棒杆菌(红色荧光标记)。通过灵活组合形成不同的MSBC。结果表明,MSBC平台具备灵活性及可控性,通过简单地切换不同的MSB,MSBC可以即插即用,创建一系列兼具灵活性和精度的组合(图3d-f)。
1)在农业生产中,由于过度使用兽药和杀虫剂,导致农业废水存在大量抗生素和有机磷废物。科研人员构建了可自裂解释放β-内酰胺酶(Bla)的大肠杆菌以及分泌表达重组人对氧磷酶(rh-PON1)的毕赤酵母;其中,Bla可以通过破坏β-内酰胺环来降解β-内酰胺类抗生素;rh-PON1可以通过水解作用降解有机磷。使用壳聚糖水凝胶分别对它们进行封装形成MSB,共培养组合的MSBC可以获得包含Bla和rh-PON1在内的产物,使用MSBC的产物进行降解实验,结果表明,该蛋白混合物可以成功降解氨苄青霉素和对氧磷。
2)科研人员设计了一对发送器和接收器MSB。发送器MSB内的大肠杆菌可诱导表达3-oxo-C12-HSL(3OC12)信号分子,3OC12可以扩散穿过细菌膜和聚合物胶囊,然后被接收器MSB内的酿酒酵母的相应变构转录因子(VP16-LasR)感知,触发YFP的表达。同样,MSBC,可以严格调控发送器和接收器细胞的组成。因为信号分子3OC12的浓度由发送器的占比所决定,我们可以很容易地调节MSB内部的通信强度,通过调节发送器和接收器MSB的接种比例,我们可以逐渐地激活接收器的YFP表达强度(图4)。MSBC平台还可以在通信过程中调控信号范围。我们制造了具有两个腔室的微型设备,它们通过不同长度的通道连接,分别接种发送器MSB和接收器MSB到两个腔室中。结果表明,无论距离如何(0到30毫米),接收器MSB的细胞都被发送器激活。
3)工程合成光养群落对生物能源具有巨大的前景,例如生物质和生物燃料的绿色制造。科研人员使用蓝藻和大肠杆菌设计构建了光合自养的MSBC,光合自养的微生物蓝藻可以利用CO2合成蔗糖,通过遗传改造可以使其在渗透压力下将蔗糖释放到细胞外;同样使用合成生物学工具改造的大肠杆菌可以将环境中的蔗糖运输到细胞内进行新陈代谢,促进细胞生长(图 5)。通过构建蓝细菌及大肠杆菌的MSB,科研人员组装了光能自养的MSBC,在没有任何有机碳源的基础培养基中,成功地维持了异养 MSB(大肠杆菌)的生长。
戴卓君博士,中国科学院深圳先进技术研究院研究员。本科毕业于浙江大学,于香港中文大学化学系吴奇教授实验室取得博士学位后,在美国杜克大学游凌冲教授实验室从事博士后研究。相关成果以通讯作者或共同通讯作者发表在Nature Chemical Biology 、Nature Communications等国际专业期刊(http://isynbio.siat.ac.cn/ZDlab/)。
实验室主要方向包括:基于工程微生物及工程菌群的活体材料;基于合成细菌及合成功能菌群的多酶体系构建,无细胞重组系统合成;结合高分子化学及物理理念及手段实现多种合成微生物培养体系方法开发、表征及下游应用。
课题组长期面向合成生物学、微生物、生物化学、高分子合成方向招聘博士后和助理研究员,有意申请者请将个人简历以邮件方式发送至zj.dai@siat.ac.cn。