Nature Materials | 受康普茶启发的微生物共生混合物可创造具有可编程功能的生活材料！

帝国理工学院Tom Ellis教授和麻省理工学院Timothy K. Lu团队的研究人员通过工程微生物制造出智能的生活材料，以检测环境并对环境做出反应。并于2021年1月11日在国际权威学术期刊《Nature Materials》上发表了题为Living materials with programmable functionalities grown from engineered microbial co-cultures的研究论文。这种被称为工程生活材料（ELMs）的材料可用于检测和过滤水中的污染物，在包装中可使用荧光检测和警告损坏，并充当“生活照片”，显示投射到其上的照片。这些ELMs是由酵母和细菌的互惠共生结合而成的，类似于“kombucha mother”（一种用于酿造发酵茶饮料康普茶的混合物）中的酵母和细菌。它也被称为细菌和酵母的共生培养（SCOBY）。

ELMs以前是使用非食品微生物（例如大肠杆菌和丝状真菌）创建的，但是可扩展性（大规模生产该技术的潜力）一直是一项挑战，这意味着ELM尚未得到广泛使用。当前的ELM技术还需要受过训练的人员和严格的条件来培养微生物，从而阻碍了它们对公众的普及。这种新型ELM通过从康普茶SCOBY的自然共生方法中汲取灵感并将基因工程酵母细胞与纤维素生产细菌结合在一起，从而解决了这些问题，制成了“Syn-SCOBY”。研究人员发现，Syn-SCOBY生产的纤维素可以充当支架，该支架可以容纳酵母产生的多功能酶。这种结合导致了可编程且坚韧的材料，这些材料很容易从廉价的糖类混合物中大规模生产。尽管距离人们可以廉价地种植自己的生物传感器的未来还有很长的路要走，但科研人员的新系统通过创建可扩展的材料推动了我们的前进，因此更有可能在现实世界中很有用。

研究人员创造了一种类似于“kombucha mother”的微生物种群，通常包含一两个细菌菌株和至少两个产生纤维素和乙酸的酵母菌株，这赋予了康普茶独特的风味。许多用于发酵的酵母菌株很难进行基因改造，因此，麻省理工学院的研究人员用贝克酵母代替了它们-全世界在实验室以及面包、啤酒和葡萄酒生产中使用的酵母。他们将这种酵母与一种叫做Komagataeibacter rhaeticus的细菌结合在一起，帝国研究人员以前从一种“kombucha mother”那里分离出这种细菌，它可以产生大量的纤维素。

由于研究人员使用了在生物技术中经过广泛工程改造的著名酵母，因此他们能够使用DNA编码程序轻松修饰这些细胞，以使酶在黑暗中发光或按需释放蛋白质。甚至可以对酵母进行编程，以检测和分解环境中的污染物。同时，培养物中的细菌产生大量坚韧的纤维素以用作支架。研究人员设计了他们的系统，以便他们控制是否将酵母本身或仅产生的酶掺入纤维素结构中。仅需几天时间即可生长该材料，如果放置足够长的时间，它可以扩展到占据像浴缸一样大的空间。与操纵酵母DNA的工具相比，用于工程化这些细菌的遗传工具箱还不够完善。这就是为什么科研人员采用这种分工策略的原因，因此可以首先专注于工程化酵母细胞并探索各种活的功能材料的可能性。

由于在实验室中修改过的几乎所有版本的酵母都可以立即用于生产仿茶菌的材料，因此可以以“即插即用”的方式轻松地将数百种不同的细胞工程选项整合到其系统中。为了证明他们的Syn-SCOBY的潜力，研究人员测试了“即插即用”功能。他们创造了一种掺入酵母的材料，这种酵母能感觉到雌二醇，一种有时被发现为环境污染物的激素。在另一个版本中，他们使用了一种酵母菌株，当暴露于蓝光时会产生一种发光的蛋白质，称为荧光素酶。这些酵母可以换成其他可以检测其他污染物、金属或病原体的菌株。该培养物可以在正常的酵母培养基中生长，研究人员在大多数研究中都使用了这种培养基，但是他们也证明了它可以在含糖的茶中生长。研究人员预想，将来可以对文化进行定制，以便人们在实验室外使用以生长滤水器或其他有用的材料。将来它们甚至可以被用来补充健康。例如，患有代谢缺陷的患者可能会受益于食用由Syn-SCOBY发酵的茶，该茶经过工程设计以产生必需的营养并释放治疗性蛋白质。

图1：生成Syn-SCOBY与S. cerevisiae和K. rhaeticus共培养物

图2：Syn-SCOBY可以生产酶功能化的BC材料

图3：修改BC物理材料属性

图4：Syn-SCOBY材料可以感应和响应

图5：酶促功能化BC材料的光学构图

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