上海交大劉盡堯團(tuán)隊《Nat. Commun.》：細(xì)菌與黏液蛋白的共價鍵合
微生物-宿主界面相互作用決定微生物的定植行為，在維持微生態(tài)與人體代謝和免疫穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過基因編輯或者表面物理/化學(xué)修飾進(jìn)行細(xì)菌表面改造以操縱其與周圍環(huán)境之間界面相互作用從而調(diào)控微生物體內(nèi)定植及功能具有重要意義。例如，通過合成生物學(xué)手段表達(dá)特定的膜配體或受體，以改善細(xì)菌與宿主細(xì)胞外基質(zhì)蛋白（如纖維蛋白原、膠原蛋白等）的相互作用，可增加細(xì)菌在宿主表界面或者靶組織中的定植。另一方面，也可利用細(xì)菌的物理封裝或表面修飾來降低其與毒性物質(zhì)的親和力，同時借助氫鍵、靜電作用、疏水作用、π-π共軛等分子間作用力增強(qiáng)其與體內(nèi)生物界面的相互作用以促進(jìn)細(xì)菌的定植。然而，細(xì)菌與其周圍界面之間的相互作用通常是基于非共價作用力，容易被宿主微環(huán)境中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、pH、鹽等不利因素破壞，不可避免地影響細(xì)菌的定植能力。針對上述問題，上海交通大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究院劉盡堯團(tuán)隊報道了一種利用共價鍵合作用來調(diào)控細(xì)菌體內(nèi)定植的方法，即一種細(xì)菌共價定植的策略。首先將細(xì)菌表面的大量氨基轉(zhuǎn)化為巰基，得到可進(jìn)行硫醇-二硫交換反應(yīng)的細(xì)菌，通過原位化學(xué)反應(yīng)可實現(xiàn)細(xì)菌與組織表面黏液蛋白的共價鍵合，進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)菌在黏液層的定植，為細(xì)菌移植及相關(guān)微生態(tài)療法提供新途徑。
該研究結(jié)果表明：首先，細(xì)菌表面豐富的源于蛋白質(zhì)/多肽的伯氨殘基可以通過簡單的一步亞胺硫醇烷解環(huán)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為巰基，同時該反應(yīng)具有良好的生物相容性及普適性，不會對細(xì)菌本身的增殖及代謝能力產(chǎn)生影響，并可用于不同種類的細(xì)菌。其次，以益生菌Nissle 1917 (EcN)為例，表面巰基化產(chǎn)生的具有化學(xué)反應(yīng)活性的細(xì)菌，能夠通過動態(tài)硫醇-二硫交換反應(yīng)自發(fā)地與黏液蛋白層（富含二硫鍵）發(fā)生反應(yīng)，形成新的二硫鍵。通過控制投料比，可以準(zhǔn)確控制細(xì)菌表面的巰基數(shù)量及與宿主黏液層的相互作用。作者通過體內(nèi)和體外實驗，對基于動態(tài)硫硫交換反應(yīng)實現(xiàn)的巰基化細(xì)菌與黏液層化學(xué)鍵合的機(jī)制進(jìn)行了深入探索。此外，由于能夠形成牢固的共價鍵，表面巰基化細(xì)菌在靶向和定植于富含黏液的組織方面顯示出巨大優(yōu)勢。例如，腸道微生物在空腸中的定植非常困難，實現(xiàn)細(xì)菌在空腸段的富集十分挑戰(zhàn)。與未修飾的EcN相比，當(dāng)單個細(xì)菌表面含有9.3 × 107個巰基時，反應(yīng)性細(xì)菌在黏液豐富的空腸中的定植提高了170余倍。最后，作為概念驗證，動物實驗結(jié)果顯示口服巰基化益生菌增加了其在空腸中的定植，并顯著緩解了空腸黏膜炎的癥狀。這項工作揭示了如何使用化學(xué)策略通過形成共價鍵來操縱細(xì)菌與環(huán)境界面的相互作用，為化學(xué)調(diào)節(jié)微生物群-宿主相互作用并制備創(chuàng)新活體細(xì)菌制劑提供了一種新思路。
相關(guān)研究工作以“Chemical reaction-mediated covalent localization of bacteria”為題發(fā)表在Nature Communications上。課題組羅會龍博士后為該論文第一作者，劉盡堯研究員為該論文通訊作者。該工作得到第十四批國家海外高層次人才引進(jìn)青年項目、科技部重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金委面上項目、上海市探索者計劃等支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35579-6
