自然界生物材料具有復(fù)雜動態(tài)功能，如肌肉、皮膚、硬殼和骨骼等，它們擁有多重功能包括隨時間變化的能力和對多種刺激的響應(yīng)性。而合成生物學(xué)旨在利用工具來設(shè)計和改造生物體，從而模仿自然界生物材料的能力，賦予材料如損傷感知、威脅響應(yīng)、自我清潔、自我修復(fù)和自我降解等生物學(xué)特性。然而，將生物功能整合至固體材料（如塑料）中則面臨加工條件苛刻的挑戰(zhàn)，諸如活細胞、分離酶等。
今天小編和大家分享一篇今年4月份發(fā)表在ACS Synth Biol雜志上，名為“Cell-Free Protein Expression in Polymer Materials"的文章。該篇文章證明了聚合物嵌入的無細胞蛋白表達（CFPS）反應(yīng)是在材料中添加復(fù)雜、DNA可編程生物活性的有前途的新方法。并展示了CFPS反應(yīng)在熱和有機溶劑暴露下的顯著耐受性。這標志著DNA可編程生物功能被引入合成材料中的可能性，為合成生物學(xué)領(lǐng)域帶來了新的研究方向和應(yīng)用前景。
研究背景
無細胞蛋白合成（CFPS）技術(shù)繞過了活細胞相關(guān)的限制，通過在細胞外重構(gòu)基本細胞功能（如轉(zhuǎn)錄、翻譯和代謝），為在材料中實現(xiàn)可編程的生物功能提供了一種選擇。CFPS系統(tǒng)無需維持細胞活性，并且因其缺乏細胞膜，為研究人員提供了更多對反應(yīng)環(huán)境的控制。此外，干燥后的CFPS粉末在室溫下存儲具有良好的穩(wěn)定性，并且可以耐受有機溶劑暴露，這為實現(xiàn)其在聚合物材料中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
研究結(jié)果
1、溶劑澆鑄CFPS-PLGA
研究團隊成功將干燥CFPS反應(yīng)粉末嵌入聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）中。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)有機溶劑處理的CFPS反應(yīng)粉末能保持蛋白質(zhì)合成活性，并在PLGA膜中恢復(fù)活性，表達出熒光蛋白。首先混合CFPS反應(yīng)液與PLGA丙酮溶液，然后澆鑄成膜，并通過水合作用激活膜內(nèi)的CFPS反應(yīng)。這項技術(shù)展示了在非水凝膠聚合物材料中恢復(fù)復(fù)雜代謝反應(yīng)和蛋白質(zhì)合成功能的能力。
圖1:CFPS粉末鑄造成聚合物
2.熱鑄CFPS-PCL
研究人員探索了通過熱壓法將CFPS反應(yīng)粉末嵌入到聚己內(nèi)酯（PCL）中的可行性。實驗成功將CFPS粉末嵌入PCL中，通過手工熱壓機，將CFPS反應(yīng)物加熱壓制于PCL片之間。重新水合并孵化后，CFPS反應(yīng)粉末恢復(fù)活性，并在PCL片中觀察到熒光蛋白的表達且邊緣切割處的熒光信號更強，暗示水分滲入促進了CFPS的局部激活。這些結(jié)果表明，熱壓工藝后，有可能在聚合物材料中恢復(fù)CFPS活性。
圖2:熱鑄CFPS-PCL
3.CFPS-PLGA中的區(qū)域功能
研究人員制備了含不同DNA編碼的CFPS“墨水"，分別編碼綠色和紅色熒光蛋白，并將這些“墨水"鑄造到PLGA膜中。結(jié)果顯示，CFPS反應(yīng)在聚合物內(nèi)部成功激活，產(chǎn)生了預(yù)期的熒光蛋白，實現(xiàn)了多功能空間定位。并將其嵌入PLGA材料，成功在同一塊材料中表達出不同的熒光蛋白。該研究不僅證明了CFPS技術(shù)在非水性聚合物中實現(xiàn)復(fù)雜生物功能的潛力，而且展示了通過改變DNA序列可輕松更改或組合功能的靈活性。
圖3:CFPS-PLGA膠片中局部功能的顯微觀察
4.CFPS-PLGA中大腸肝菌素的生產(chǎn)
研究人員通過將編碼大腸桿菌素E1的線性DNA與CFPS反應(yīng)體系結(jié)合，再嵌入PLGA材料中。在PLGA薄膜中表達抗菌蛋白大腸桿菌素E1來證明CFPS提供聚合物材料通常無法實現(xiàn)的生物有效載荷的能力。實驗結(jié)果顯示，盡管CFPS-PLGA系統(tǒng)經(jīng)歷了有機溶劑處理和高溫加工，但其中的大腸桿菌素E1仍能保持活性。當(dāng)材料與水接觸時，大腸桿菌素E1能夠表達并有效抑制大腸桿菌的生長。這一成果不僅展示了CFPS技術(shù)在非生物材料中實現(xiàn)生物功能的強大能力，還為在聚合物材料中直接合成具有生物活性的抗菌蛋白提供了新途徑，對開發(fā)新型抗菌材料具有重要意義。
圖4:擴展溶劑鑄造聚合物的功能
5.CFPS-PLGA中的傳感器功能
最后，研究團隊演示了一種動態(tài)感覺和響應(yīng)功能，這是聚合物材料中通常沒有的一種生物學(xué)通用能力。研究人員選擇了一個RNA腳架開關(guān)傳感器，通過將傳感器與比色報告酶聯(lián)系起來。利用包含編碼LacZ（B-半乳糖苷酶）的質(zhì)粒和同源觸發(fā)RNA的質(zhì)粒的凍干CFPS粉末樣品，制備了對特定RNA信號響應(yīng)的塑料傳感器。傳感器接觸觸發(fā)RNA時，可激活酶的表達，通過顏色變化指示目標分子。該技術(shù)為聚合物材料賦予了生物傳感能力，且可靈活調(diào)整傳感器功能，開辟了合成生物學(xué)在材料科學(xué)的新應(yīng)用可能性。
結(jié)論
本文探討了無細胞蛋白合成（CFPS）技術(shù)在聚合物材料中的應(yīng)用，進一步證明了CFPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景和在合成生物學(xué)領(lǐng)域的潛力。該技術(shù)能通過調(diào)整DNA序列并將CFPS反應(yīng)粉末嵌入到聚合物中以實現(xiàn)材料復(fù)雜的生物功能，如熒光蛋白產(chǎn)生、抗菌功能及傳感響應(yīng)等，為生物材料帶來動態(tài)變化與多功能性。
備受追捧的工程生物材料概念包括使用活細胞賦予人為材料生物學(xué)中常見的新功能（傳感、自愈和動態(tài)多功能性點等）。而CFPS系統(tǒng)可以用于在聚合物材料中實現(xiàn)其中許多目標，規(guī)避了與維持細胞活力相關(guān)的挑戰(zhàn)以及轉(zhuǎn)基因生物釋放的擔(dān)憂，CFPS可以將應(yīng)用推向普通的材料和設(shè)備。
參考文獻：
Lee MS, Lee JA, Biondo JR, et al. Cell-Free Protein Expression in Polymer Materials. ACS Synth Biol. 2024;13(4):1152-1164. doi:10.1021/acssynbio.3c00628
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