微生物作为细胞工厂,可合成燃料、化学品和材料等高附加值化合物。通过识别和调控微生物的菌群效应,可提高细胞工厂的生产能力。而病原微生物可引起严重感染,病原微生物的选择性识别和快速检测,对于阻止严重疾病的爆发至关重要。在宿主细胞外膜表面过表达的天然受体通常用于微生物病原体的选择性识别,如toll样受体(TLRs),但存在成本高、生产繁琐、稳定性差等缺点。仿生天然受体的识别机制,合成人工受体类材料,如分子印迹聚合物(MIPs),提供了一种经济有效的天然受体替代品。然而,在筛选具有最佳亲和力和选择性的MIP配方时,传统的方法繁琐且耗时。
鉴于此,北京化工大学谭天伟院士(点击查看介绍)团队吕永琴教授(点击查看介绍)等人开发了一种用于细菌选择性识别的非生物人工受体的快速筛选方法。基于96孔板高通量筛选快速获得MIP合成的最佳配方,研究了人工受体在全血样品中选择性捕获目标细菌、选择性光热杀菌和菌群效应调控中的应用(图1)。相关研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces,第一作者是北京化工大学生命学院博士生邵胜男,通讯作者是吕永琴教授。
图1. 可选择性识别细菌的非生物人工受体的快速筛选、合成和应用示意图
可选择性识别细菌的非生物人工受体的快速筛选:不同单体配方在96孔板底部合成不同的聚合物薄层,与荧光标记的模板脂多糖(LPS)孵育,利用荧光检测筛选出与LPS具有最佳亲和力的单体配方(如图2所示)。
非生物人工受体MIP的亲和力与选择性:使用最佳配方合成的非生物人工受体MIP,对LPS具有很高的亲和力,平衡解离常数(KD)值达到10-12 M。同时,研究人员还在细胞水平上研究了人工受体MIP对目标细菌的识别能力,并采用SEM、QCM、LCSM、FCM等表征手段验证了人工受体MIP对目标细菌的特异性结合(如图3所示)。
应用一,非生物人工受体从全血中选择性识别捕获目标细菌:利用非生物人工受体MIP包裹磁性微球,制备磁性MIP。针对复杂全血样本,磁性MIP对目标细菌的捕获效率高达97%。
应用二,非生物人工受体选择性光热杀菌:利用人工受体MIP包裹金纳米金棒,制备AuNR@MIP。该材料具有很好的光热性能和稳定性。激光(λ = 808 nm, 2 W/cm2)照射5 min,AuNR@MIP使目标细菌灭活。进一步,在混合菌株体系中,AuNR@MIP可选择性灭活目标细菌。充分验证了非生物人工受体MIP的特异性和选择性。
应用三,非生物受体调控细菌的菌群效应:非生物人工受体MIP通过选择性识别细菌,可诱导细菌聚集,进而对群体感应进行调控。菌液中加入人工受体MIP,OD600值和荧光强度均有所增强,群体感应信号分子前体4,5-二羟基-2,3-戊二酮(DPD)浓度亦显著升高。表明人工受体MIP可以诱导菌种聚集,促进群体感应,从而促进细菌生长和代谢。
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Rapid Screening and Synthesis of Abiotic Synthetic Receptors for Selective Bacterial Recognition
Shengnan Shao, Shuang Gao, Yuan Li, and Yongqin Lv*
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 16408–16419, DOI: 10.1021/acsami.2c22438
通讯作者简介
吕永琴,女,教授,博士生导师,国家优秀青年基金获得者,北京市生物加工过程重点实验室副主任。主要从事以生物纳米技术为基础的合成生物学、生物催化、光/电催化-人工细胞耦合固碳及分子印迹人工抗体的理性构建及在疾病诊疗中的应用等相关研究。相关研究成果发表论文70余篇,申请发明专利二十余项。获侯德榜化工科学技术奖青年奖、教育部自然科学奖二等奖、石油化工联合会技术发明奖一等奖等奖项。先后主持了国家自然科学基金优青项目、国际合作项目和联合基金重点项目,以及国家重点研发计划课题等10余项。担任中国生物工程学会一碳生物技术专委会委员,中国化工学会青年工作委员会委员。目前担任Frontiers of Chemical Science & Engineering青年编委﹑Microchimica Acta和《生物加工过程》等期刊的编委,曾担任Bioresources and Bioprocessing期刊的编委和Synthetic and Systems Biotechnology期刊的客座编辑。
吕永琴
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谭天伟
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