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 活體細胞/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溶劑與成膠劑以及高溫等苛刻條件，高生物相容性的有機膠包埋材料的設(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)，無需使用任何有機溶劑。

圖1 疏水有機膠的設(shè)計與制備

該團隊所開發(fā)的有機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，與紅細胞或纖維原細胞孵育后，該有機膠展現(xiàn)出良好的生物相容性。

圖2 有機膠的疏水、親油性

為探究有機膠是否適用于包埋油性酵母，作者使用100%的有機膠前驅(qū)體對酵母進行浸泡處理，或使有機膠前驅(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膠前驅(qū)體具備優(yōu)異的相容性。因此，有機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 有機膠包埋的解脂耶氏酵母具備高存活率和代謝活性

 活體細胞、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-融化過程中的低溫損傷對于活體細胞和微生物十分致命。在本文中，作者還利用有機膠超低溫凍存保護油性酵母。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，證明有機膠可保護酵母免受冷凍損傷，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)目標菌種的快速解密（圖4）。進一步地，作者證明了這一基于有機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、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