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锐谈 | Nat. Chem. Biol：合成生物学重构细菌生活形态

锐谈 | Nat. Chem. Biol：合成生物学重构细菌生活形态

【概要描述】

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合成生物学通过改造细菌已经实现了在各个领域的广泛应用。

但是一个显著的问题在于，精确控制条件下的游离态细菌，是几乎所有合成生物学元件和系统的设计、构造和表达验证的重要前提，类似于经典物理学笑话“真空状态下的球形母鸡”。

事实上，在自然状态下，细菌会根据环境变化，在游离态和被膜聚集态(biofilm)之间切换来获取最大的生存机会。

基于此，来自美国UIUC的Ting Lu研究团队率先在工程菌中重构了可调节的微生物生活形态并证明了其正交性、模块性与可编程性。

这项研究成果“De novo engineering of a bacterial lifestyle program”发表在2022年12月的自然子刊Nature Chemical Biology。

Dr. Lu及研究团队以乳酸菌Lactococcus lactis为底盘菌，选择了表面蛋白作为细菌被膜的组成砌块。

在搜寻和过表达45种与表面相关的蛋白以后，研究者获得了4种成膜性和聚集性均表现优异的蛋白，作为后续实验用的细菌被膜组成砌块。

然后，研究者构建了不同表达系统，分别实现了乳酸链球菌肽和锌离子诱导的成膜和抑制成膜过程（图1），完成了细菌根据环境诱导从游离态到被膜聚集态的转换。

接下来，研究者在砌块蛋白序列中加入了蛋白酶识别位点，通过利用蛋白酶水解过程，实现了细菌从被膜聚集态到游离态的转换。

然后，研究者进一步设计了精巧的表达系统来控制砌块蛋白和蛋白酶的精确表达，实现了不同环境下成膜和消失的双向过程，重构了细菌在环境因素刺激下于游离态和被膜聚集态之间的自然转换（图2）。

最后，研究者在其重构的可根据自然条件自动转换生活形态的细菌平台中，引入了其它功能蛋白的表达，分别实现了其在特定细菌形态中的特异表达（图3），和不论细菌形态的独立表达（图4）。

此项研究重构了细胞被膜的成膜和解构过程，并通过基因调节回路的精确控制重现了由环境诱导的细菌生活形态之间的自动转换过程，并利用此系统实现了细菌形态相关和正交的功能蛋白表达。

这项研究成果在生物制造、益生菌靶向治疗和细菌被膜乃至菌群研究中都有潜在应用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-022-01194-1

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