上海
自然环境中，微生物倾向于形成多细胞群落，以抵抗环境压力和实现定殖于多种栖息地的能力。基于此生物学特性，现有许多研究报道利用合成生物学的方法对细菌细胞表面的相互作用进行重新 编程 ，通过在细胞膜界面安装可操控的功能基序，从而创建可控且有序的多细胞模式。 目前，实现细菌细胞间组装的主要方法包括化学缩合反应、超分子相互作用，以及利用带正电聚合物调控细胞间粘附作用等。然而，这些方法普遍存在特异性不足的局限性。相比之下，基因工程策略通常采用表面展示技术，在细菌表面展示纳米抗体、卷曲肽或其他合成受体。尽管该方法具有较高的特异性，但需要对细菌细胞进行遗传改造，这一限制使其应用范围受到约束。现阶段，针对微生物组装的空间模式调控和刺激响应性调控技术仍相对有限，仅有少数研究报道了光控诱导的细菌聚集体系 。 在过去几十年中， DNA 因其高度可编程性和结构稳定性，已被广泛应用于实现蛋白质分子、纳米颗粒、微球及哺乳动物细胞等不同尺度材料之间的可编程组装。然而，利用 DNA 编程微生物组装的研究仍处于早期探索阶段。尽管已有文献报道利用 DNA 实现简单的大肠杆菌聚集体形成，但关于组装模式的可控性、刺激响应特性及其生物功能等关键科学问题仍未得到充分研究。
近日，湖南大学邢航课题组在 Science Advances 在线发表了题为
DNA-
P
rogrammed
R
esponsive
M
icroorganism
A
ssembly with
C
ontrolled
P
atterns and
B
ehaviors的研究论文。该研究首次利用代谢工程与疏水锚定技术，成功实现了三类微生物细胞表面的DNA功能化，并探究DNA导的微生物群落组装过程。在此基础上，研究团队进一步利用 DNA 调控表面功能化细菌，成功构建了多模态细菌组装体，实现了刺激响应型细菌自组装行为的精准调控，并解析了 DNA 介 导的细菌组装体在生物功能方面的变化。
本研究 选取了三类具有代表性的微生物模型体系：革兰氏阴性菌（ G- ）以大肠杆菌（ Escherichia coli ， E. coli ）为典型，革兰氏阳性菌（ G+ ）以金黄色葡萄球菌（ Staphylococcus aureus ， S. aureus ）为代表，以及休眠孢子 以 天蓝色链霉菌（ Streptomyces coelicolor ， S. coelicolor ）的孢子作为 代表 。 针对不同微生物的生理特性，分别通过代谢标记结合点击化学反应，实现革兰氏阴性菌（ Escherichia coli ）和革兰氏阳性菌（ Staphylococcus aureus ）的表面 DNA 共价修饰；利用疏水插入技术实现天蓝色链霉菌的休眠孢子表面 DNA 分子锚定。基于上述方法，研究人员通过细胞膜界面上 DNA 序列 的特异性相互作用，实现三类微生物体系的群落构建。
研究团队 利用功能性 DNA 作为细菌膜表面粘附分子元件，构建模拟天然微生物群落的多层级组装体系，包括均质型、核壳型、异质型及选择性粘附型等具有明确空间特征的组装模式。进一步地，该研究通过在细菌表面展示具有靶标响应能力的 DNA 探针，建立可响应外源寡核苷酸和小分子刺激的动态细菌组装系统。最后，研究揭示了此类DNA介导的微生物群落具有显著的生物膜形成效率提升和群体感应效应增强等生物学特性。
湖南大学邢航教授为文章的 唯一 通讯作者。湖南大学化学化工学院学院 2021 级博士生孔玉涵、化学化工学院学院 2019 级硕士生杜棋、化学化工学院学院 2017 级硕士生赵丹为文章共同第一作者。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads8651
制版人： 十一
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