麻省理工学院赵选贺Nature子刊：基于细菌的水凝胶生物容器，可进行连续感测和计算

【科研摘要】

转基因微生物（GMM）可以实现广泛的重要应用，包括环境感应和响应性工程生物材料。但是，遏制GMM以防止环境逃逸并满足法规要求是现实应用的瓶颈。尽管当前的生化策略限制了环境中GMM的有害生长，但仍需要可部署的物理遏制技术来实现冗余，多层和稳健的遏制。最近，麻省理工学院Tzu-Chieh Tang 博士，赵选贺教授和Timothy K. Lu教授团队联合开发了基于水凝胶的封装系统，该系统结合了生物相容性多层硬壳和基于藻酸盐的核。

这种可部署的物理遏制策略（DEPCOS）不允许检测到GMM逸出，可保护细菌免受环境侵害，包括抗生素和低pH值，可控的使用寿命以及易于回收的基因组编码细菌。为了突出DEPCOS的多功能性，我们证明了坚固封装的细胞可以执行有用的功能，包括与其他封装细菌进行细胞间通信以及感测查尔斯河水样中的重金属。相关论文以题为Hydrogel-based biocontainment of bacteria for continuous sensing and computation发表在《Nature Chemical Biology》上。

【图文解析】

包括藻酸盐核和基于聚合物的保护壳的核-壳设计已经成为基于藻酸盐的微生物生物传感器的潜在设计。尽管如此，主要需要一种机械强度高的外壳，该外壳对于分析物也具有高渗透性以进行检测。团队用于细菌包封的DEPCOS设计包括两个部分：（1）基于藻酸盐的水凝胶核，以及（2）坚韧的水凝胶壳（图1），其结合了可拉伸的聚合物网络（聚丙烯酰胺）和能量消散网络（藻酸盐） ，通过在聚合物链之间解开离子交联来实现）。

图1：DEPCOS平台示意图。

制造DEPCOS水凝胶珠

为了将活细胞整合到颗粒核心中，将大肠杆菌的液体培养物与藻酸盐在50或100μl的液滴中混合，然后与钙离子交联形成球形。含细胞的藻酸盐水凝胶很容易通过模具成型或切成不同的几何形状。然后用坚硬的聚丙烯酰胺-藻酸盐水凝胶包裹核（图2）。在核-壳系统中，藻酸盐核预装有营养物质以支持生长，而水凝胶壳则为整个珠粒提供机械保护。对于展开后的下游分析，可通过用剃须刀取下外壳并匀化核心，轻松地从珠子中回收细胞。

图2：在坚硬的水凝胶胶囊中的细胞封装。

坚固的水凝胶外壳可实现坚固的物理密封

团队假设坚硬的水凝胶层将起到抑制作用，因为它的孔径（5-50 nm）太小而无法穿透大肠杆菌。缺少坚硬外壳的珠子会使细菌逃逸到周围的介质中并生长为 过夜孵育后密度较高，而即使在孵育72小时后，细菌也不会从包被的珠粒中物理逸出（图3a）。

图3：坚硬的水凝胶壳提供了坚固的生物防护。

协同双模抑制可确保零逃逸

由于极端的力量可能会损害水凝胶并允许细菌逸出，因此假设可以使用化学容器对封装的细胞进行额外的控制。首先，将在不存在（不允许的培养基）或存在（允许的培养基）1μmmpIF和0.2％L-的情况下，将包裹pIF营养缺陷型GRO，rEc.β.dC.12'.ΔtY和LspA.Y54β的珠粒预先浸泡在LB中。阿拉伯糖（L-ara），这是在这些菌株中表达氨酰基转移RNA合成酶所必需的。团队假设在非允许的介质中，GRO将无法合成功能性必需蛋白，从而丧失活力。实际上，预浸泡在非容许培养基中的珠子无法维持细胞生长，仅在LB中12h后显示不到10％的存活率。另一方面，将包囊的珠粒预先浸泡在允许的培养基中可大大延长细胞存活时间。

图4：结合化学和物理遏制策略，以实现最佳的生物遏制和保护。

DEPCOS防止DNA转移并保护GMM

工程基因的水平基因转移（HGT）进入环境和天然生态系统的破坏是GMM部署的主要监管问题。然后，通过比较包囊细胞和浮游细胞的抗性，研究了珠子对细菌细胞的保护作用（无需珠子封装）以承受一系列的化学和生物应力（图4d）。

通过遗传设备进行感应，记录和交流

在生长步骤中，珠子中的细胞数量增加了约105倍，并在孵育12分钟后达到了固定相，相当于大约40分钟的倍增时间。然后，测试了含有需要细胞分裂才能起作用的基因组编码记忆系统的细菌是否能够在珠子中记录信息。在基因组DNA上记录信息是有优势的，因为DNA是高度稳定的信息存储介质（在水生环境中的周转时间长达数周，在土壤中的周转时间），可以多路复用，并且可以在细胞死亡后从中检索信息。我们使用了整合了生物事件（SCRIBE）平台的合成细胞记录仪来进行有针对性的体内基因组编辑，从而在封装的GMM中记录信息。设计SCRIBE电路，以使异丙基-β-D-1-硫代吡喃半乳糖吡喃糖苷（IPTG）和aTc分别控制β重组酶和CRISPRi系统的表达；在该设计中，kanR基因的基因编辑记录了化学暴露（图5a，左）。

图5：封装的细菌细胞的传感，记录和通讯能力。

将酰基高丝氨酸内酯（AHL）寄主菌株和AHL受体寄主菌株封装在单独的珠子中，并在1ml的Luria-Bertani（LB）培养基和羧苄青霉素中一起孵育（图5b，左）。珠子（预先浸泡在4×LB中）从查尔斯河提取的，外源添加Cd2+的水样品中进行孵育（图5c，中心）。将水凝胶细菌珠子放在茶袋中，以利于易于展开和取回。暴露于5μM CdCl2会导致表达高水平GFP的细胞群体的出现（图5c，右），表明已成功检测到镉离子。这些结果在蓝光下通过视觉确认：暴露于5μM CdCl2的珠子显示出强烈的绿色荧光（图5c，中心）。

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参考文献：doi.org/10.1038/s41589-021-00779-6

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