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Nature子刊:田博之/林艺良/高翔等开发土壤仿生材料实现微生物功能调控

来源:生物世界 2022-10-26 18:01

这项工作介绍了土壤仿生材料合成和表征。作者证明了其作为微生物调节的动态响应材料平台的实用性。

自然界中,各种不同类群的微生物在多种不同的环境中生长定植,例如,土壤微生物、肠道微生物等。微生物之间以及其定植环境(材料)的互作,在生物地球化学系统物质循环、生态系统平衡和人体健康等发挥重要的功能。


通过道法自然界中材料与微生物界面互作,近年来发展的材料-微生物人工杂合体系,利用材料实现对微生物的功能调控,赋予微生物细胞新的功能或活性,在人工光合作用、药物递送、CO2固定、微生物燃料电池和活体功能材料领域都显示出较大的潜力。例如,通过高效吸收光能的半导体材料与微生物结合,将光合作用效率低的天然光合生物变为高效(低效到高效转变),将不能利用光能的微生物转变为利用光能为胞内代谢提供能量(能到不能转变)。但材料-微生物人工杂合体系目前还处于概念验证阶段,将非生物的材料与生物体系结合并有效发挥功能挑战主要有两方面:1)非生物材料(包括无机和有机)的生物相容性、稳定性和功能性不佳,难兼备;2)材料-微生物界面能量和物质传递和转化机制不清、效率低。如何构建高效调控微生物功能的材料及界面是该领域核心问题。

 

2022年10月24日,Nature Chemistry 期刊发表的一篇题为:A Soil-Inspired Dynamically Responsive Chemical System for Microbial Modulation 的研究论文,报道了一种动态响应的土壤仿生材料,与微生物互作,实现对微生物活性调控,可以潜在应用于生物制造和肠道微生物相关疾病治疗。

 

 

芝加哥大学田博之教授和林艺良为通讯作者,林艺良(现为新加坡国立大学助理教授)、高翔(现为深圳先进技术研究院合成生物研究所副研究员)、岳继平和方寅(现为新加坡南洋理工大学助理教授)为论文第一作者和共同第一作者。

 

在自然界中,土壤是庞大微生物群落的栖息环境,而且土壤孔隙中的独特微环境孕育了非常丰富的微生物群体和良好的材料-生物界面。团队受此启发设计并合成出一种新的应激响应型“化学系统”,由蒙脱土(一种天然土壤组分)、淀粉颗粒和液态金属组成,该系统导电性对机械力、激光和化学溶剂具有动态响应性。通过该“化学系统”与微生物互作,不仅在体外可以增强生物被膜的生长和提高微生物合成化学品的产量,还可以在小鼠体内还能够调节肠道菌群失调,恢复肠道微生态和治疗溃疡性结肠炎

 

图2.土壤仿生材料具有动态响应性并实现对微生物功能调控

 

土壤被公认是地球系统生物多样性最为复杂和丰富的环境,目前已知每克土壤中微生物的数量可达上百亿个,种类可达上百万种。因此,土壤与土壤微生物结合组成了一种天然高效的杂合体界面,其中土壤颗粒含有矿物质固体,形成一种高度孔隙结构(空隙约占体积50%),内含有机物和液体等可随外部环境变化发生动态改变,土壤微生物均生活在孔隙之中,与土壤紧密互作。土壤异质组成、独特空间结构以及动态响应性质为土壤微生物多样性提供必要条件。团队受此启发,推测合成一种类似土壤的“化学系统”,可以提供一种理想的材料-微生物界面,实现对微生物功能的调控。

 

研究团队设计的“化学系统”(土壤仿生材料)主要由蒙脱土(天然土壤成份,俗称“观音土”)、淀粉颗粒和液态金属三种组分分别模拟天然土壤的矿物质、有机物和液体流动相,利用常用的多孔材料制备方法:“冰模版法”,经过冷冻、干燥和热压缩的步骤自下而上合成。其中蒙脱土是土壤中的常见组分,淀粉颗粒和液态金属提供应天然土壤不具有的新功能。通过电子显微镜成像,揭示土壤仿生材料多层的孔隙结构,孔隙率约为54.6%;使用基于同步加速器的3D-X射线荧光光谱(3D X-ray fluorescence)和叠层衍射成像(ptychographic tomography)进一步表征土壤仿生材料,发现材料形成一种多孔结构,液态金属颗粒(Ga和In)大小分布在10 nm和几微米之间、主要分布在矿物质表面和孔的内表面;通过红外光谱分析发现材料中的淀粉颗粒在热压缩的过程中会发生凝胶化作用,使淀粉颗粒在保持一定结构的情况下形成空隙,并释放聚合物可以在矿物质层之间形成黏连,增加材料的机械性能和空隙空间。
图3. 冰模版法合成多孔土壤仿生材料
 

图4. 多尺度表征技术证明多孔土壤仿生材料的合成

天然土壤的性质是随环境发生动态变化,研究团队进一步考察上述合成的材料是否也可以具备动态响应的能力,即通过合成后修饰的方法为材料增加新的功能。研究团队首先利用机械力在材料上压出一条凹痕,实现将不导电的材料变成导电;同样利用激光照射,对材料进行烧结,也可以使材料导电。推测机械力或激光照射对材料形成局部压力,迫使淀粉颗粒和矿物质表面的液态金属颗粒发生形变和重新分布,可以跨过空隙结构,形成连续的液态金属线路,从而具有导电性,这一过程,我们称为导电功能的“写入”;进一步通过加入有机溶剂,又可以将导电的材料恢复成原始不导电,实现“擦除”。证实该材料可以动态响应外界物理或化学刺激实现在电学性能方面的“写入”和“擦除”。

图5. 土壤仿生材料的导电性对机械力、激光和化学溶剂动态响应性

研究团队进一步开展土壤仿生材料对微生物功能调控的研究。之前有研究表明微生物电信号调控枯草芽孢杆菌生物被膜的生长(Cell 168, 200–209 (2017).),因此研究团队利用经过激光处理前和后的材料培养生物被膜,发现处理后材料生物被膜生长面积比处理前提高了43%。另一个实验还发现该材料也可以促进大肠杆菌生长和合成乙酸的产量。最后,研究团队开展土壤仿生材料调控肠道微生物的研究,分别构建四环素诱导形成肠道菌群紊乱和葡聚糖硫酸钠诱导形成急性的溃疡性肠炎模型的小鼠,通过喂食土壤仿生材料可以显著恢复肠道菌群紊乱和治疗溃疡性结肠炎的效果。

图6. 土壤仿生材料促进微生物生长、恢复肠道微生态和治疗肠炎
总结与展望
 
这项工作介绍了土壤仿生材料合成和表征。作者证明了其作为微生物调节的动态响应材料平台的实用性。土壤仿生材料显示出作为胃肠道疾病疗法的前景,提出了现有技术的治疗替代方案。除了肠道微生物群之外,这种土壤仿生材料还可以扩展到其他微生物组的研究,例如皮肤和土壤微生物群,这将对人类健康产生影响,对农业生态系统的稳定性和生产力产生影响。

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