作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 工程光响应电子
大肠杆菌功能生物膜作为透明质酸矿化的支架
工程光响应电子
大肠杆菌功能生物膜作为透明质酸矿化的支架
野生型大肠杆菌示意图
大肠杆菌生物膜包含胞外CsgA淀粉样纳米纤维，这是生物膜蛋白质的主要成分，有助于生物膜牢固地粘附到固体表面
(二)加州贻贝粘附斑中的微滤蛋白示意图
加州
Mp3S-pep(下)是一种生物激发的粘附肽，它模拟了在M的粘附斑中发现的原始Mp3S蛋白
加州
Mfp3S-pep富含天冬氨酸(蓝色)、赖氨酸(绿色)和酪氨酸(红色)残基，已知它们在促进透明质酸的成核、生长和粘附中的功能作用
光响应大肠杆菌遗传成分示意图
大肠杆菌生物膜
功能性生物膜的设计是通过融合编码CsgA蛋白和Mp3S-pep的序列来实现的，这两种序列都位于光敏pDawn转录控制元件的下游。
在pDawn回路中，组氨酸激酶YF1及其同源应答调节剂FixJ的组成型表达由LacIq启动子严格调控，而λ噬菌体阻遏物cI的表达由FixK2启动子控制
在蓝光照射下，YF1的激酶活性和随后的cI表达都受到抑制，进而激活λ启动子pR以促进CSga-Mp3S-pep的表达。
示意图显示透明质酸矿物质在功能性细胞外纳米纤维上的局部沉积，该纳米纤维由工程光响应性大肠杆菌分泌的CSga-Mp3S-pep融合蛋白组成
大肠杆菌，光接收器-CSga–Mp3S-pep菌株
透射电镜图像显示生物膜中含有大量淀粉样纤维的细胞和细胞外基质
比例尺，500纳米
透射电镜图像显示，在1
5× SBF
对应的SAED图案呈现分配给(002)、(211)和(004)平面的衍射弧
比例尺，500纳米
图解了本质上分配给高可用性阶段的钙、氧和磷元素
比例尺，500纳米
学分:自然化学生物学，doi:https://doi
org/10
1038/s 14589-020-00697-z 活生物体已经进化出生物矿化机制，以构建结构有序和环境适应性强的复合材料
尽管研究团队已经显著改进了实验室中的仿生矿化研究，但仍然很难设计出具有与天然材料非常相似的结构特征和活性成分的矿化复合材料
在最近发表在《自然化学生物学》上的一篇新报告中，王和中国的一个物理、高级材料、合成生物学和工程学研究小组受天然梯度材料的启发，开发了活的图案化梯度复合材料
在这项工作中，他们将光诱导细菌生物膜的形成与仿生羟基磷灰石(透明质酸)矿化相结合，以展示如何控制矿化的位置和程度
复合材料中的细胞在感知和响应环境信号时仍能存活
复合材料的杨氏模量增加了15倍
e
硬度、应力和应变之比)
这项工作有助于开发具有动态响应和环境适应性的活性复合材料
实验室中的生物矿化 活的生物体可以产生各种基于生物矿化的分级有机-无机复合结构，其中值得注意的例子包括石鳖的齿牙、鱼鳞和小龙虾的下颌骨，它们具有多种生物功能
生物矿化的时间和程度必须由细胞精确控制，以在活生物体中形成精确的结构和功能
最近在仿生矿化方面的研究强调了探索细胞控制的方法以产生生命模式和分级复合物的重要性，这是一个有希望但很大程度上尚未探索的领域
合成生物学和材料科学的学科已经释放了一系列复杂的和环境友好的基因回路，以生物工程的方式实现一系列新的细胞功能
在这项工作中，王等人
通过利用光诱导性大肠杆菌生物膜和仿生矿化，开发出生物感应活性复合材料
这项工作将打开大门，整合工程细胞，生产具有结构和生命特征的矿化材料
用于活体图案化复合材料的光诱导生物膜的空间可控矿化
生产活性图案复合材料的实验装置和顺序步骤示意图
插图中描绘的蓝色叶子图案被投射到含有悬浮在培养基中的光接收器-CSga-Mp3S-pep菌株的培养皿上
蓝光通过光受体-CSga-Mp3S-pep菌株的CSga-Mp3S-pep蛋白的光调节表达触发功能性生物膜形成
然后将培养皿中的培养基替换为1
5× SBF，然后在37℃孵育形成复合物
矿化过程后，加入aTc诱导一种红色荧光蛋白的表达
用数码相机拍摄的彩色生物膜图像
比例尺，1厘米
扫描电镜图像显示图案化生物膜的表面形态
比例尺:2米(左)，1米(右)
保留原始图案的后续矿化复合物的数码相机图像
比例尺，1厘米
扫描电镜图像显示矿化复合材料的表面微观结构
比例尺:2米(左)，1米(右)
生物膜和复合材料中细菌生存力的共聚焦激光扫描显微镜分析
比例尺，5米
注意，SYTO 9染料和PI分别用作活细胞(绿色)和死细胞(红色)的标记试剂
用化学XRS系统记录的活复合物的诱导荧光
比例尺，1厘米
一、共聚焦显微镜证实了细菌在复合物中的麦克亨利表达
比例尺，20米
在诱导麦克亨利表达和用钙黄绿素标记后，活复合物的共聚焦图像，其表明有机成分和无机矿物质在图案化的活复合物内均匀分布
比例尺，20米
学分:自然化学生物学，doi:https://doi
org/10
1038/s 14589-020-00697-z 选择用于羟基磷灰石矿化的蛋白质模块并形成光敏生物膜 研究小组选择融合蛋白来设计促进矿化的大肠杆菌
大肠杆菌生物膜
基于之前的实验，他们选择了源自紫贻贝的蛋白质Mefp5，其次是源自加州贻贝的Mp3S和Mp3S肽的另一种变体(Mfsp3S-pep)来启动矿化和促进粘附
该团队构建了包含大肠杆菌主要蛋白质结构域的融合蛋白
大肠杆菌生物膜形成CsgA-Mfp融合蛋白，并证实其从工程细胞中分泌的潜力
然后，他们选择CSga-Mp3S-pep融合蛋白作为羟基磷灰石矿化的代表，并进行实验来验证该蛋白的功能，以突出其在矿化和晶体形成过程中的作用
此后，王等人
构建了一株光诱导型生物膜形成菌株，命名为光受体-CSga-Mp3S-pep，该菌株可通过蓝光照射进行严格调控
该光敏菌株经光照后可生成功能性生物膜材料，促进羟基磷灰石的矿化
为了验证这一点，科学家们将光敏菌株暴露在培养皿中的蓝光下，并使用组织学染色和透射电子显微镜成像来显示生物膜中淀粉样纤维的产生。
相比之下，他们在黑暗中生长的样本中没有观察到淀粉样纤维
工程化的细胞外基质也能及时作为透明质酸矿化的模板，这一点他们通过x光衍射和能量分散x光光谱技术在培养7天后得到了证实
用于制造活性梯度复合材料的光强调节梯度生物膜中的密度可控矿化
示意图，显示通过生物量密度梯度的生物膜原位矿化产生活梯度复合物
梯度生物膜是通过将不同强度和精确空间控制的光投射到含有悬浮在培养基中的光接收器-CSga-Mp3S-pep菌株的培养皿上而形成的
显示具有梯度生物量密度的CV染色生物膜的数码相机图像
比例尺，1厘米
透明质酸矿化后随后形成的梯度活性复合物的数码相机图像
比例尺，1厘米
生物膜的厚度和随后在不同光强下形成的矿化复合物
结果用平均值表示
d
数据代表n= 5个独立实验
截面扫描电镜显微照片，显示光强分级生物膜中不同区域(A1-A4)的形态
比例尺，10米
插图(取自A4区域)代表生物膜的典型表面形态
比例尺，1米
截面扫描电镜显微照片，显示以光强分级生物膜支架为模板的活性梯度复合材料中不同区域(B1-B4)的形态
比例尺，10米
插图(取自B4区域)代表矿化梯度复合材料的典型表面形态
比例尺，1米
请注意，不透明度百分比为100%、50%、25%和12
5%对应于实际光强度0
0306瓦厘米2，0
0268瓦厘米2，0
0178瓦厘米2和0
分别为0140瓦厘米2
学分:自然化学生物学，doi:10
1038/s 14589-020-00697-z 形成受控的活性复合材料 基于工程生物膜的光敏性，王等
时空调控生物膜的形成以控制复合材料的形成
他们通过在聚苯乙烯培养皿中的液体细菌培养物上照亮叶子图案来实现这一点，该图案忠实地再现了细菌生物膜上投射的光图案
矿化7天后，培养皿中生成的复合物保留了使用扫描电子显微镜观察到的原始图案
光调节方法基于网格图案投影和微尺度光的空间分辨率来控制复合材料的形状——与活细菌的大小相当
研究小组随后通过改造活的复合物来表达荧光蛋白，验证了活的完整细胞的生存能力，这一点已被共聚焦显微镜图像所证实
此后，他们使用热重分析来量化矿化复合材料的无机成分，其中无机材料随着浸泡在模拟体液中的时间成比例地增加(SBF)
王等
还用微压痕技术比较了生物膜的杨氏模量，以显示矿化是如何增强大肠杆菌的
大肠杆菌生物膜保护细胞
密度控制梯度复合材料 将工程生物膜与矿化相结合，实现微球在基质上的稳定捕获和固定
示意图显示微球在溶液中的载玻片上的捕获和固定
悬浮在培养基中的聚苯乙烯微球通过生物膜形成被捕获并固定在基质上，随后在1
5倍模拟体液(SBF)
荧光图像显示在以8磅/平方英寸的恒定排放压力喷射水的挑战之前(顶部)和之后(底部)基底上的两种生物膜(左和中柱)和活性复合固定化微球(右柱)
比例尺，100米
量化不同生物膜和活性复合物将聚苯乙烯微球粘合和固定在基质上的相对能力
结果用平均值表示
d
从左到右:P= 0
00003，P= 0
000004
*自然化学生物学
org/10
1038/s 14589-020-00697-z 组织工程方法强调需要精确识别硬组织和软组织以获得成功的生理性能，因此可以调节光强度以控制工程生物材料的密度和机械性能
张等
通过暴露E来完成
将大肠杆菌培养物置于不同强度的光照下，以揭示生物膜厚度如何随着蓝光强度的降低而降低
他们进一步展示了矿化是如何被工程化的Msp3S-pep融合蛋白紧密和局部指导的
然后，他们用微压痕研究了受照区域的局部机械性能，观察到在骨组织工程应用中，用可调矿物梯度和机械性能进行工程化的高光活性复合材料的杨氏模量增加了四倍
部署活性复合材料进行特定部位的损伤修复 科学家们还研究了工程生物膜通过粘合聚苯乙烯微球和透明质酸矿化聚集修复损伤的能力
作为概念的证明，他们应用活性矿化复合材料来填充和修复聚苯乙烯培养皿表面的裂缝
在实验过程中，光诱导粘附生物膜捕获溶液中的微球以填充有意形成的损伤沟，而生物膜中的纳米纤维作为羟基磷灰石矿化的模板，在蓝光照射下巩固光诱导的胶结
利用扫描电子显微镜，王等
展示了细菌和周围的细胞外基质如何与微球粘附在一起，以说明活生物膜的粘附功能
透明质酸矿化复合材料形成致密的混凝土状层，填充受损的沟槽，突出活性复合材料的矿化功能，以增强耐久性和修复应用
可控活矿化在特定场地损伤修复中的应用
显示应用活性矿化复合材料填充和修复聚苯乙烯培养皿表面裂缝的示意图
从左到右:培养皿基底上的损伤沟，光诱导粘附生物膜捕获溶液中的微球填充损伤沟，生物膜中的纳米纤维作为透明质酸矿化的模板来固结水泥
扫描电镜图像显示损伤沟
下面是一个示意图，显示了损伤沟的尺寸
比例尺，50米
扫描电镜图像显示了充满生物膜和微球的损伤沟的形态
比例尺:50米(顶部)，5米(底部)
显示矿化后损伤沟形态的扫描电镜图像；透明质酸填补了球体之间的空隙
比例尺:50米(顶部)，5米(底部)
请注意，特定部位的损伤修复实验至少重复三次，结果相同
学分:自然化学生物学，doi:10
1038/s 14589-020-00697-z 前景 通过这种方法，王和他的同事们产生了具有光调节生物膜平台的生物激发的活体图案化复合材料和活体分级复合材料
所得复合材料显示出与它们的天然对应物相似的环境响应性
复合材料中的细胞即使在矿化后仍能存活并对环境刺激做出反应
这项工作为创造具有适应性和自修复特性的有生命的功能性有机-无机复合材料开辟了一条道路，并在生物医学、再生医学和生物修复中得到应用
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
