DNA水凝胶：推动生物复合材料的进步

来自 实验室仪器网

科研人员近期介绍了一种利用细菌在细胞外合成脱氧核糖核酸（DNA）水凝胶来生产生物混合材料的新方法。这项研究的目标是开发兼具生物系统适应性与合成材料耐久性的工程生物材料（ELM）。该研究在可持续生物技术领域具有潜在的应用前景。

工程生物材料融合了合成生物学和材料科学的理念。其目标是利用生物系统的自组织能力，创造出能够适应周围环境并自我再生的材料。这种方法可以减少资源消耗，并使材料生产更具可持续性。

DNA水凝胶是ELM的有希望的候选材料。它们具有生物相容性、可编程性，并能响应环境变化。通常，它们是利用滚环扩增(RCA)技术制备的，该技术可以生成长DNA链，并形成粘稠的水凝胶结构。然而，它们在微生物系统，尤其是在生物电化学系统(BES)中的应用尚未得到广泛探索。

在这项研究中，作者使用了希瓦氏菌（Shewanellaoneidensis），一种以能够将电子转移到细胞外固体物质而闻名的细菌。他们的目标是改造希瓦氏菌，使其能够自主生产DNA水凝胶。这将有助于促进生物膜的生长，并增加BES中的电流产生。

为了实现这一目标，该团队使用了一种名为SpyTag/SpyCatcher(ST/SC)的蛋白质配对系统，将DNA聚合酶phi29-DNAP附着到细菌表面。这使得该酶能够在细胞表面进行RCA反应。他们还开发了一种缺乏某些核酸酶的细菌版本(∆NSC)，以防止细胞外DNA的分解，这对水凝胶的稳定性至关重要。

研究人员构建了表达表面锚定蛋白的质粒，转化了S.oneidensis，并优化了培养条件，使细菌生长和DNA水凝胶的生成同时进行。他们测试了一系列生长培养基和化学环境，以确定最佳条件。为了评估水凝胶的生成和材料特性，他们使用了荧光显微镜和定量PCR(qPCR)。

工程菌在其环境中成功生成DNA水凝胶。∆NSC菌株的稳定性和功能均优于野生型。将phi29-DNAP附着到细菌表面可增加大DNA分子的生成，证实ST/SC系统能够有效支持细胞表面的酶活性。

在最佳条件下，∆NSC应变可产生约8微米的RCA产物。机械测试表明，所得水凝胶的粘度比在较差条件下制备的水凝胶高出两到三倍。粘度的提高对于结构性能至关重要。

研究人员还发现，直接在环境中生产DNA水凝胶有助于生物膜的发育，并提高BES中的电流输出。∆NSC菌株的电流密度与野生型相似，这表明它在生产功能性水凝胶的同时，还保留了电子转移的能力。

这些结果表明，工程细菌可以充当活工厂，创造出增强生物技术系统中微生物活性的材料。这项研究对生物技术、环境修复、生物电子学和生物医学工程领域具有重要意义。利用S.oneidensis生产DNA水凝胶或将催生出更可持续的、依赖细菌生产有用材料的技术。

在生物能谱(BES)中，水凝胶有助于稳定生物膜并改善电子转移。这可以提高生物能发电系统的效率和输出。

在生物医学应用中，DNA水凝胶的可编程特性支持药物控制释放和组织支架构建。其适应环境的能力也使其适用于污染清理或资源回收等环境变化较为常见的领域。

另一个潜在用途是自再生材料。工程细菌可用于随时间推移修复或重建水凝胶。这对于智能材料、生物传感器以及需要在远程或不可预测环境中运行的系统可能非常有价值。将DNA水凝胶与导电或氧化还原活性成分结合，也可以扩大其在先进生物电子系统中的应用。

这项研究介绍了一种利用S.oneidensis在细胞外生成DNA水凝胶来生产工程生物材料的新方法。结果表明，微生物系统可以用来制造响应性强、可自我维持的材料。这些材料可用于能源生产、环境应用和生物技术。

未来的研究应致力于提升这些生物混合系统的性能。这包括更详细地研究水凝胶的机械性能，并探究它们如何影响细菌代谢。添加响应环境线索的功能，并调整这些方法使其适用于更复杂的生物体，也能拓展其应用领域，尤其是在再生医学和细胞工程领域。

这项工作为工程化生物材料在实际应用中奠定了基础。通过利用生物系统进行材料生产，研究人员可以为各行各业创造高效、适应性强且可持续的解决方案。

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