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 活體細(xì)胞/微生物的包埋作為一種重要的策略，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、生物催化、環(huán)境修復(fù)、智能材料和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。然而，迄今為止所報道的包埋材料均為親水性材料。這是因為親水性包埋材料，尤其是水凝膠等材料制備方法成熟且生物相容性突出；而疏水性包埋材料研究較少。

在地球上廣泛存在著一類油性微生物（Oleaginous microorganisms），它們因為可利用疏水物質(zhì)而在各種領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。若能將親油性微生物包埋在疏水材料中，不僅可提升微生物的穩(wěn)定性、重復(fù)利用性、可操作性等，還可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)化學(xué)品混菌發(fā)酵中的碳源利用正交化（將油性微生物限制在油相環(huán)境中，避免與其它水相微生物競爭水溶性碳源）。有機(jī)膠作為一類具有三維聚合物網(wǎng)絡(luò)的新型疏水、親油性材料，有潛力用于包埋油性微生物。但是，由于其制備過程通常需使用有毒的有機(jī)溶劑與成膠劑以及高溫等苛刻條件，高生物相容性的有機(jī)膠包埋材料的設(shè)計與制備仍具有挑戰(zhàn)性。

近日，天津大學(xué)化工學(xué)院張雷教授團(tuán)隊與肖文海副教授合作，受自然界中油性酵母“食用”烷烴的啟發(fā)，認(rèn)為甲基丙烯酸化烷烴類單體可作為無毒前驅(qū)體，用于開發(fā)可包埋油性酵母（解脂耶氏酵母，Yarrowia lipolytica）的生物相容性有機(jī)膠。在本工作中，他們基于此類單體，利用一種溫和的光聚合法，首次實現(xiàn)了疏水有機(jī)膠對解脂耶氏酵母的成功包埋（圖1）。該方法僅需模擬日光作為光源，同時因為反應(yīng)物均為液態(tài)，無需使用任何有機(jī)溶劑。

圖1 疏水有機(jī)膠的設(shè)計與制備

該團(tuán)隊所開發(fā)的有機(jī)膠具備顯著的疏水性、親油性，可長期停留于油相環(huán)境中且可保障疏水分子的自由擴(kuò)散，從而有利于所包埋的油性微生物生存和發(fā)揮功能（圖2）。另外，與紅細(xì)胞或纖維原細(xì)胞孵育后，該有機(jī)膠展現(xiàn)出良好的生物相容性。

圖2 有機(jī)膠的疏水、親油性

為探究有機(jī)膠是否適用于包埋油性酵母，作者使用100%的有機(jī)膠前驅(qū)體對酵母進(jìn)行浸泡處理，或使有機(jī)膠前驅(qū)體與酵母共培養(yǎng)，均未顯著影響解脂耶氏酵母的生長與形貌，證明了甲基丙烯酸化烷烴類有機(jī)膠前驅(qū)體具備優(yōu)異的相容性。因此，有機(jī)膠包埋的解脂耶氏酵母，不僅具有高存活率，而且具有高代謝活性（圖3）。

圖3 有機(jī)膠包埋的解脂耶氏酵母具備高存活率和代謝活性

 活體細(xì)胞、微生物等在深低溫環(huán)境中可處于“休眠狀態(tài)”，因此深低溫凍存常用于生物樣本的長期保存。但是，冷凍-融化過程中的低溫?fù)p傷對于活體細(xì)胞和微生物十分致命。在本文中，作者還利用有機(jī)膠超低溫凍存保護(hù)油性酵母。結(jié)果表明，在-80℃和-196℃下凍存后的油性酵母存活率顯著高于對照組，證明有機(jī)膠可保護(hù)酵母免受冷凍損傷，有望實現(xiàn)酵母的長期超低溫凍存（圖4）。

另外，作者發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控烷烴單體的烷烴鏈長度，不同的有機(jī)膠具備不同的溫敏相變行為或不具備相變行為。基于這一特性，可利用不同組合的有機(jī)膠搭建微生物菌種的加密平臺，僅通過4℃處理2min，便可實現(xiàn)目標(biāo)菌種的快速解密（圖4）。進(jìn)一步地，作者證明了這一基于有機(jī)膠的加密平臺可用于DNA數(shù)據(jù)存儲的加密/解密。

圖4 基于有機(jī)膠的深低溫凍存及菌種加密平臺

這一成果近期發(fā)表在國際知名期刊Journal of the American Chemical Society（《美國化學(xué)會志》）上，文章的第一作者是天津大學(xué)化工學(xué)院博士研究生張相宇、王鶴蓉和助理研究員李慶斯。通訊作者是天津大學(xué)化工學(xué)院張雷教授和肖文海副教授。

論文信息：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c00847

Development of Organogels for Live Yarrowia lipolytica Encapsulation

Xiangyu Zhang#, Herong Wang#, Qingsi Li#, Zhaoxu Yin, Haishan Qi, Jing Yang, Xiaodong Wang, Wenhai Xiao*, and Lei Zhang*

J. Am. Chem. Soc. 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c00847

通訊作者簡介

張雷教授現(xiàn)任天津大學(xué)化工學(xué)院生物化工系教授，系主任，博士生導(dǎo)師，國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者。主要研究方向包括生物化工與合成生物學(xué)、低溫保護(hù)、功能材料、海洋涂料等。在包括Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, AIChE Journal, CES, Research, Engineering等期刊發(fā)表論文100多篇。

肖文海，天津大學(xué)化工學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。綠色生物制造重點專項“原料藥工業(yè)菌種改造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)示范”項目課題負(fù)責(zé)人。主要研究方向是基于合成生物學(xué)技術(shù)和代謝工程技術(shù)高效構(gòu)建萜烯類酵母細(xì)胞工廠，已在Biotechnology Advances, Metabolic Engineering，Microbial Cell Factories，Current Opinion in Biotechnology等國際知名刊物發(fā)表第一作者/通訊作者SCI論文30多篇，成果被Nature Chemistry，Nature Communications等高度評價。

參考資料：http://chemeng.tju.edu.cn/cn/news;jsessionid=6FA4021F80B1FD78FF12C2EB09C496FD?type=detail&id=3901