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对细菌进行有目标的设计和改造是近年来的重要研究热点。经过人为修饰的工程菌往往会被赋予新的生理功能或理化性质,从而具有天然细菌所不具备的刺激响应性,因此在绿色能源、催化、癌症诊疗和生物疫苗等领域备受关注。
其中,细菌表面是工程化改造的核心模块,其结构与组分直接影响着菌体自身的生物学特性。传统的细菌表面工程化策略主要依赖合成生物学,利用基因修饰技术实现兴趣蛋白或多肽在细菌表面的展示。然而,基因层面的改造具有潜在的生物安全性问题,且难以对非蛋白类生物分子进行修饰。相比之下,基于静电吸附、脂质包裹和疏水锚定的物理修饰策略则可有效规避上述风险,并实现各种人工合成材料在细菌表面的灵活组装,这极大地拓展了细菌表面工程的应用范围。不过,经物理修饰的材料很容易从细菌表面脱落,稳定性不佳,并且修饰条件需要根据材料特性进行不断优化。
如何开发简单、稳定且可控的细菌表面修饰策略是目前该领域中的技术难点。
针对这一需求,东南大学吴富根教授课题组最近报道了一种基于酪氨酸酶催化的共价修饰策略,并将其用于革兰氏阳性菌特异性的工程化改造。
相比基因编辑和物理修饰法,这种对细菌表面进行共价修饰的技术策略不仅具有更好的稳定性,同时适用于多种类型的修饰材料。
该工作发现,带有苯酚基团的荧光分子和生物素分子能够在酪氨酸酶的作用下选择性地偶联至革兰氏阳性菌细胞壁的磷壁酸上,而革兰氏阴性菌则由于外膜的存在无法被该反应有效修饰。这种基于酶催化的共价偶联策略操作简单,条件温和,并且具有比经典的琥珀酰亚胺酯(NHS ester)-氨基偶联法更高的修饰效率,可以作为一种革兰氏阳性菌特异性的工程化技术。作者利用生物素-亲和素系统,将多种尺度的材料(包括小分子光敏剂、辣根过氧化物酶和磁性纳米颗粒)修饰在细菌表面,实现了革兰氏阳性菌特异性的光动力杀菌、肉眼可视化检测以及磁分选,进一步证明了该策略具有良好的普适性。该工作为细菌表面工程化改造提供了新的技术策略,并拓宽了该领域在生物医学中的应用前景。
相关工作以”Direct chemical editing of Gram-positive bacterial cell walls via an enzyme-catalyzed oxidative coupling reaction”为题发表在Exploration上。第一作者为东南大学贾浩然博士和祝雅璇博士, 通讯作者为东南大学吴富根教授。
DOI: 10.1002/EXP.20220010
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