Cell Systems封面论文：中科院深圳先进院戴卓君团队实现合成生物学赋能的接枝反应

近日，中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君团队在 Cell 子刊 Cell Systems 发表了题为：Engineering Functional Materials through Bacteria-assisted Living Grafting 的研究性工作。

该研究借鉴化学接枝反应的策略，通过合成生物学手段编程微生物，实现了功能蛋白的持续生产与原位接枝，赋予了材料多样的生物学功能。在传统化学接枝反应中，虽可实现大分子或其表面的功能化修饰，但赋予的性质往往受限于亲疏水性、pH值、温度敏感性等物理化学属性，缺乏生物学功能（例如结合错配DNA等）。相较之下，该研究借鉴了植物嫁接中供体植物可生长并提供多个接穗的理念，通过调控工程细菌持续的生长及释放功能蛋白模块，增强了接枝反应的稳定性和自我修复能力，获得了一系列动态可调、可再生的生物功能。该工作也被选为 Cell Systems 的封面文章。

研究团队通过聚合物支架封装了工程细菌，支架内含有大约20微米的带有活性接枝位点的微粒；这些经过基因线路调控的微生物能够在支架内生长，感知到自我密度，并自主裂解释放特定的功能蛋白；携带标签的目标蛋白能够有效地接枝至支架内的活性位点，从而组装为MELG（Materials Engineered by Living Grafting）（如图1）。系统具备高度的模块化特性：提供蛋白模块的底盘细胞、可定制的基因线路、多种功能蛋白模块以及接枝化学反应，所有这些都可以灵活调节。得益于活体微生物可源源不断的提供接枝蛋白，这套系统展现出对外部干扰的高度稳定性和可再生能力。在此基础上，团队进一步开发了多种功能性MELG：如能够响应生物信号进行蛋白质的可控释放、合成高值化学品橄榄醇酸，以及修正错配的DNA序列。

图1. MELG的模块、系统及下游应用活体接枝材料消除错配DNA

以识别并结合错配DNA，从而降低合成DNA错误率的MELG系统为例。合成生物学的快速进展得益于DNA合成技术的突破。然而，通过芯片合成核苷酸池并组装双链DNA的方法在提高合成效率的同时也积累了错误率。自然界的生物为了维持自身遗传物质的完整性和稳定性，天然具有DNA 错配修复系统。其中DNA结合蛋白MutS即是细菌错配修复系统的关键成分。同时，不同物种来源的MutS对不同类型的DNA错配具有区别化的结合特异性。

团队开发了能够自主生产、裂解和释放特定MutS（来自Thermus aquaticus的TaMutS和来自Thermotoga maritima的TmMutS）的大肠杆菌，进而生成接枝了TaMutS或TmMutS的MELG系统（图2a-b）。实验数据显示，接枝了TmMutS的MELG对GG错配具有较强的结合能力，而接枝了TaMutS的MELG则对AA错配有更高的亲和力（图2c）。因此，结合使用这两种MELG能够有效消除含有AA和GG错配的DNA片段（图2d）。

此外，MELG系统可被长期存储，并根据需要进行组装使用（图2e）。所接枝的功能蛋白可以再生，例如：团队制造了大肠杆菌来源EcMutS 接枝的MELG，并捕获了标记有荧光信号的错配DNA；系统在随后进行了洗脱，去除了接枝的EcMutS，但是在培养基中重新培养系统后，再生的MELG可以再次捕获错误片段，证明了系统可再生的特性（图2f）。