天津大学王汉杰/孙韬/刘夺：光自养工程菌群水凝胶促进皮肤伤口愈合

利用合成生物学技术能够改造微生物，并赋予其传感或治疗功能。改造后的工程微生物经水凝胶包封后作为一种“活材料”，可以分泌治疗蛋白并用于多种疾病的治疗，包括肿瘤、肠炎或皮肤疾病等。然而，当这种“活材料”被用于皮肤时，由于干燥和缺乏营养的皮肤表面，工程微生物难以长期维持功能的稳定，限制了工程微生物活材料的表皮应用。

针对这一问题，天津大学王汉杰教授、孙韬和刘夺副研究员设计了一种水凝胶包裹的光自养工程微生物菌群，为工程微生物在皮肤长久稳定发挥功能提供了一种新策略，研究成果Hydrogel encapsulated engineered microbial consortium as photoautotrophic “living material” for promoting skin wound healing发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊。在本研究中，研究团队利用合成生物学技术构建了一种包含两种工程菌的“工程微生物菌群”，并通过PEGDA/CS水凝胶对菌群进行包裹，菌群中自养的工程聚球藻PCC 7942能够分泌蔗糖，其中的另一种异养工程菌能够利用蔗糖作为碳源并持久发挥治疗功能。并以皮肤伤口模型为例，探究了水凝胶包裹的“工程微生物菌群”活材料促进伤口愈合效果。

研究内容：

（1）聚球藻PCC 7942通过异源表达蔗糖转运体等改造方式实现蔗糖的胞内光自养合成与外排。聚球藻与海藻酸钠溶液共混后利用注射泵匀速挤出，在氯化钡溶液中固化形成微球，微球的大小可通过注射泵流速控制。微球具有很好的包封性能，在保证聚球藻活性的同时，避免了聚球藻向环境的泄漏。

图1：聚球藻PCC 7942海藻酸钠水凝胶微球制备

(2) 为了更好地反映异养工程菌的功能，乳酸乳球菌（ Lactococcus lactis）经改造后具有LacZ酶活，大肠杆菌（ Escherichia coli W）经改造后可以被检测到化学发光。在基础培养基中将自养聚球藻微球与常用异养工程菌底盘共培养，并通过酶活以及荧光强度对工程菌的功能进行指征，证明聚球藻微球释放的蔗糖能够促进异养工程菌的存活和功能维持。

图2：聚球藻微球供给工程大肠杆菌/工程乳酸乳球菌

（3）为了给聚球藻微球和异养工程菌提供良好的工作与交流条件，设计制备了一种光固化的PEGDA基水凝胶，并在其中添加了壳聚糖（CS）以改善水凝胶的机械性能。表征了不同配比下水凝胶的性能，细胞相容性等。并通过扫描电镜观察了水凝胶对微球的包裹。

图3：封装微球及异养工程菌的PEGDA/壳聚糖水凝胶表征

（4）大鼠背部全皮层缺损模型被用于探究工程菌群活材料的应用。能够分泌CXCL12的工程乳酸乳球菌被构建（LL-CXCL12），并验证了CXCL12的分泌效果。随后，包含LL-CXCL12的活材料覆盖在伤口，监测三周伤口的面积以评价伤口愈合速度。第十四天伤口面积相比对照组（62.6%，51.4%，40.8%），活材料处理的伤口愈合速度加快（13.2%）。

图4：工程菌群中乳酸乳球菌分泌CXCL12促进伤口愈合

(5) 对伤口愈合过程中伤口处的HE染色切片进行分析，从组织学水平上能够观察到活材料对伤口愈合的促进。同时，通过免疫组化对IL-1β进行分析，通过ELISA对细胞因子水平进行分析。证明CXCL12能够通过促进M2型巨噬细胞参与抑炎、愈合和再生过程，进而促进伤口的愈合。

图5：伤口部位组织学和细胞因子水平分析

综上，这项工作将材料学与合成生物学相结合，构建了一种水凝胶包裹的光自养工程菌群，为工程微生物的表皮生物医学应用提供了新思路。论文第一作者为天津大学生命科学学院博士生李连月，天津大学生命科学学院杨淳。王汉杰教授，孙韬和刘夺副研究员为该文章的共同通讯作者。该研究工作获得国家重点研发计划“合成生物学”专项、国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金项目、面上项目等经费资助。

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参考文献：
1. Li, L.; Yang, C.; Ma, B.; Lu, S.; Liu, J.; Pan, Y.; Wang, X.; Zhang, Y.; Wang, H.; Sun, T.; Liu, D., Hydrogel-Encapsulated Engineered Microbial Consortium as a Photoautotrophic "Living Material" for Promoting Skin Wound Healing. ACS applied materials & interfaces2023,15 (5), 6536-6547.

来源：高分子科学前沿

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