2024年6月18日，中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院唐士兵研究員與浙江大學(xué)楊兵研究員、北京航空航天大學(xué)劉超副教授團隊合作，報道了一種新型氟磺酸類(lèi)可富集化學(xué)交聯(lián)的非天然氨基酸并在活細胞中研究蛋白質(zhì)相互作用。2024年6月18日，中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院唐士兵研究員與浙江大學(xué)楊兵研究員、北京航空航天大學(xué)劉超副教授團隊合作，報道了一種新型氟磺酸類(lèi)可富集化學(xué)交聯(lián)的非天然氨基酸并在活細胞中研究蛋白質(zhì)相互作用。相關(guān)成果以“Characterize direct protein interactions with enrichable,cleavable and latent bioreactive unnatural amino acids”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用鑒定是蛋白質(zhì)功能研究的重要步驟，在活細胞中原位鑒定相互作用蛋白對于生物醫藥研究具有重要意義。基于鄰近觸發(fā)反應（proximity-enabled reactivity）的化學(xué)交聯(lián)非天然氨基酸可以捕獲弱作用力和瞬時(shí)蛋白質(zhì)相互作用，已被開(kāi)發(fā)用于原位鑒定活細胞中的蛋白質(zhì)相互作用。基于質(zhì)譜的交聯(lián)肽段解析能夠提高互作蛋白鑒定的特異性、確定蛋白相互作用界面。然而，由于蛋白質(zhì)樣品和質(zhì)譜數據解析過(guò)程的復雜性，對蛋白質(zhì)化學(xué)交聯(lián)后的交聯(lián)產(chǎn)物進(jìn)行高通量鑒定具有挑戰性。在蛋白質(zhì)樣品進(jìn)行質(zhì)譜分析前，對交聯(lián)肽段進(jìn)行富集是提高鑒定效率的有效策略。在本研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于化學(xué)基團氟磺酸的化學(xué)交聯(lián)非天然氨基酸，即可富集的氟磺酸-L-酪氨酸（enrichable fluorosulfate-L-tyrosine,eFSY）。利用密碼子擴展技術(shù)可以在蛋白質(zhì)中特定位置插入具有潛在生物反應性的非天然氨基酸eFSY，eFSY中氟磺酸通過(guò)基于鄰近觸發(fā)反應誘導的硫-氟交換 (SuFEx) 點(diǎn)擊反應與相互作用蛋白中的酪氨酸、組氨酸或賴(lài)氨酸發(fā)生共價(jià)交聯(lián)。eFSY攜帶的炔基基團可以通過(guò)銅催化疊氮化物-炔環(huán)加成(CuAAC)點(diǎn)擊化學(xué)反應鏈接生物素，隨后就能實(shí)現交聯(lián)肽段的富集，從而提升鑒定交聯(lián)肽段的效率。此外，該研究發(fā)現氟磺酸基團介導的交聯(lián)產(chǎn)物在質(zhì)譜中的混合性碎裂規律，其與組氨酸及賴(lài)氨酸交聯(lián)產(chǎn)生的磺酸酰胺鍵會(huì )在質(zhì)譜中發(fā)生斷裂，與酪氨酸交聯(lián)后形成的磺酸酰胺鍵卻不會(huì )斷裂。為更好地應用該規律，該研究進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了交聯(lián)鑒定軟件AixUaa。AixUaa可同時(shí)兼容并區分碎裂與不可碎裂兩種模式，實(shí)現了交聯(lián)肽段及位點(diǎn)的精確匹配，提升了交聯(lián)肽段的鑒定數量。應用此流程，研究人員分別在大腸桿菌及哺乳動(dòng)物活細胞中系統性地鑒定了硫氧還蛋白 1 （Trx1） 和硒蛋白 M （SELM）的直接相互作用蛋白組，驗證了該方法的有效性。總的來(lái)說(shuō)，本研究開(kāi)發(fā)的基于氟磺酸基團的可富集化學(xué)交聯(lián)非天然氨基酸eFSY及交聯(lián)鑒定軟件AixUaa顯著(zhù)提升了在活細胞中鑒定相互作用蛋白中化學(xué)交聯(lián)肽段的效率，克服了以往化學(xué)交聯(lián)劑在鑒定蛋白質(zhì)相互作用蛋白組的一些不足，有望應用于更廣泛的蛋白質(zhì)相互作用研究。劉丹丹、丁文龍、程勁韜、韋秋實(shí)為本論文的共同第一作者，楊兵、唐士兵和劉超為共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金和廣州健康院自主部署基礎研究項目等項目的資助。論文鏈接圖1?新型含氟磺酸基團的可富集化學(xué)交聯(lián)劑eFSY研究蛋白質(zhì)相互作用時(shí)，鑒定交聯(lián)肽段的流程圖（a），交聯(lián)肽段的碎裂規律（b）和交聯(lián)鑒定軟件AixUaa的開(kāi)發(fā)流程（c）
文章討論了基于細菌生物被膜的新興工程活材料領(lǐng)域重要進(jìn)展，并對該類(lèi)材料的未來(lái)發(fā)展及挑戰應對提出新的觀(guān)點(diǎn)和思考。6月15日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所鐘超團隊在國際知名學(xué)術(shù)期刊Accounts of Materials Research上，在線(xiàn)發(fā)表了特邀綜述文章“Programmable Bacterial Biofilms as Engineered Living Materials”，并入選Accounts of Materials Research雜志內頁(yè)封面文章。文章上線(xiàn)截圖文章討論了基于細菌生物被膜的新興工程活材料領(lǐng)域重要進(jìn)展，并對該類(lèi)材料的未來(lái)發(fā)展及挑戰應對提出新的觀(guān)點(diǎn)和思考。為適應動(dòng)蕩的生存環(huán)境，細菌等微生物通常會(huì )分泌基于蛋白纖維（如大腸桿菌curli纖維）或多糖（如醋酸桿菌的細菌纖維素）的胞外基質(zhì)將其包裹，形成一種非游離狀態(tài)的細菌-胞外基質(zhì)聚合體，稱(chēng)為生物被膜。細菌生物被膜展現出的極高的穩定性、抗逆性以及組分功能的可編程性，在合成生物學(xué)與材料科學(xué)的交匯處，細菌生物被膜正被作為一種經(jīng)濟便捷的設計平臺，創(chuàng )造能夠重現自然材料“生命”動(dòng)態(tài)屬性的工程化活材料（ELMs）。目前開(kāi)發(fā)的活性生物被膜材料在建筑、醫療、能源和環(huán)境等領(lǐng)域均展現出廣闊應用前景（圖1）。圖1 配圖入選Accounts of Materials Research雜志內頁(yè)封面（畫(huà)師：尹中川）在這篇文章中，作者們凝練了天然生物材料的6大活體動(dòng)態(tài)特征：自生長(cháng)、自組裝、自修復、環(huán)境適應、自我重塑以及可進(jìn)化。以這些特征作為自然仿生程度的評價(jià)標準，目前開(kāi)發(fā)的生物被膜活材料可劃分為三大類(lèi)別：自組裝活材料、環(huán)境響應型活材料，以及活體復合材料（圖2）。自組裝活材料主要利用細菌所分泌的可自組裝的蛋白或多糖類(lèi)胞外基質(zhì)，通過(guò)基因改造其單體組分定制生物被膜的功能。比如將病毒粘附多肽C5與curli蛋白重組，編程設計的生物被膜具備了在水溶液中吸附并清除流感病毒的生物功能。環(huán)境響應型活材料是指在微生物遺傳物質(zhì)中引入人工設計的傳感線(xiàn)路，從而賦予生物被膜材料動(dòng)態(tài)響應外部環(huán)境變化的能力。例如編碼可感知血液或硫代硫酸鹽傳感線(xiàn)路的益生菌活材料可應用于在腸道精準定位炎癥病灶并主動(dòng)發(fā)揮止血消炎作用。活體復合材料則是將基因改造的生物被膜與非活性或人工合成物質(zhì)結合，融合生物被膜的活體特征和合成材料的優(yōu)異特性。典型的應用包括雜合無(wú)機半導體顆粒的生物被膜用于光合固碳或產(chǎn)氫以及利用可生物礦化的工程生物被膜批量生產(chǎn)環(huán)保磚等可持續應用。圖2 基于細菌生物被膜的三類(lèi)工程活材料：①自組裝活材料；②環(huán)境響應型活材料；③活體復合材料結構與功能從簡(jiǎn)單到復雜，自組裝活材料、環(huán)境響應型活材料，以及活體復合材料三類(lèi)材料的發(fā)展循序漸進(jìn)、逐級過(guò)渡：自組裝活材料是基礎，其保留了生物被膜自生長(cháng)、自組裝和自修復的活體特征；進(jìn)一步基因傳感線(xiàn)路的整合，誕生的響應型活材料則具備感知與響應特定外部環(huán)境信號的能力；活體復合材料則是在前兩類(lèi)材料基礎上，結合非活性功能成分，增強活材料的重塑性并拓寬材料的應用范圍。文章詳細介紹了這三類(lèi)基于生物被膜的活材料，突出了它們各自的設計策略和重要應用。此外，針對基于生物被膜活材料的應用挑戰，文章對如何進(jìn)一步提升材料性能以及如何促使活材料實(shí)現現實(shí)世界應用提出新的見(jiàn)解。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所鐘超研究員與安柏霖副研究員為共同通訊作者，王艷怡副研究員及博士后張倩為共同第一作者。科研助理葛昌浩、劉雨竹，上海科技大學(xué)教授鄭宜君、博士后蔣曉宇、碩士研究生陳邵杰，以及哈佛大學(xué)Wyss研究所博后唐子杰等對本文撰寫(xiě)也做出重要貢獻。該工作獲得了包括國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家杰出青年自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合項目、深圳市材料合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室等項目的支持。<!--!doctype-->
文章詳細探討了器官生物打印在再生醫學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并對該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展及面臨的挑戰提出了新的見(jiàn)解和思考。近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員于寅團隊在國際知名學(xué)術(shù)期刊中國工程院院刊《Engineering》上發(fā)表了特邀綜述文章“Progress in Organ Bioprinting for Regenerative Medicine”。文章詳細探討了器官生物打印在再生醫學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并對該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展及面臨的挑戰提出了新的見(jiàn)解和思考。?https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.023?器官損傷或衰竭由于受傷、疾病和衰老而常常發(fā)生，人體在大多數組織或器官中的再生能力有限。器官移植是面對器官衰竭或嚴重組織損傷的重要醫療手段，但卻面臨著(zhù)供體短缺和免疫排斥風(fēng)險等重大挑戰。因此，創(chuàng )新的解決方案變得至關(guān)重要。在這種背景下，按需3D生物打印器官在組織工程和再生醫學(xué)領(lǐng)域展現出巨大潛力。圖1 3D打印實(shí)體器官示意圖。??器官生物打印是一種利用3D打印技術(shù)來(lái)制造生物組織和器官的創(chuàng )新方法。它通過(guò)將活細胞作為“墨水”進(jìn)行打印，精確地將這些細胞組裝成具有功能性的三維結構。這項技術(shù)被寄予厚望，認為可以有效解決器官移植中的供體短缺問(wèn)題，同時(shí)避免移植排斥反應和長(cháng)時(shí)間等待帶來(lái)的困擾。?文章詳細介紹了器官生物打印技術(shù)的多方面進(jìn)展，包括但不限于生物材料的發(fā)展、打印精度的提升以及功能性組織的成功構建。研究團隊指出，生物打印在小型組織如皮膚、軟骨、血管等的制造上已表現出良好的前景，這些成功案例為日后的復雜器官打印提供了寶貴的經(jīng)驗和數據支持。?盡管取得了顯著(zhù)的進(jìn)展，器官生物打印技術(shù)在應用中依然面臨諸多挑戰。首先是生物材料的選擇和優(yōu)化，如何找到既有良好生物相容性又能承受打印工藝的材料是目前的難點(diǎn)之一。其次，打印精度的進(jìn)一步提高也是一個(gè)重要問(wèn)題，特別是在構建復雜的微結構和血管網(wǎng)絡(luò )方面。此外，如何確保打印出的組織和器官能夠在體內正常發(fā)揮功能，仍需要大量的實(shí)驗和測試。文章接著(zhù)討論了心臟、肝臟、腎臟和胰腺等實(shí)體器官生物打印的最新進(jìn)展，強調了血管化和細胞整合的重要性。最后，文章對器官生物打印在臨床轉化和大規模生產(chǎn)方面面臨的主要挑戰進(jìn)行了深入探討，并提出了未來(lái)研究方向。?文章進(jìn)一步強調了多學(xué)科合作在這一領(lǐng)域中的關(guān)鍵作用。器官生物打印不僅僅是工程技術(shù)的突破，還涉及材料科學(xué)、生物學(xué)、醫學(xué)等多個(gè)學(xué)科的密切協(xié)作。研究團隊呼吁更多的科研機構和企業(yè)加入這一行列，共同推動(dòng)技術(shù)朝著(zhù)臨床應用方向發(fā)展。?展望未來(lái)，器官生物打印將在再生醫學(xué)、個(gè)性化治療以及藥物篩選等多個(gè)領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景。例如，工程化的生物打印器官不僅可以精確模擬器官的解剖結構，還具備功能性，為各種研究提供了重要平臺。文章提出了如何進(jìn)一步提高材料性能和如何促使這些工程化器官在實(shí)際應用中實(shí)現廣泛應用的新見(jiàn)解。這些新見(jiàn)解將有助于解決當前器官短缺和移植排斥等重大醫療挑戰，推動(dòng)再生醫學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。?圖2. 生物打印的組織和器官的臨床轉化路徑和倫理學(xué)考量。?中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員于寅與副研究員陳飛，賓夕法尼亞州立大學(xué)教授Ibrahim T. Ozbolat為本文的共同通訊作者，研究助理王象以及張迪為共同第一作者，技術(shù)員賴(lài)嘉琪、鄧國滔，賓夕法尼亞州立大學(xué)Yogendra?Pratap Singh和Miji?Yeo等對本文撰寫(xiě)也做出重要貢獻。工作獲得了包括國家自然科學(xué)基金面上項目、深圳市科技重大專(zhuān)項、深圳市材料合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室等項目的支持。<!--!doctype-->
