自然界生物材料具有復雜動態功能，如肌肉、皮膚、硬殼和骨骼等，它們擁有多重功能包括隨時間變化的能力和對多種刺激的響應性。而合成生物學旨在利用工具來設計和改造生物體，從而模仿自然界生物材料的能力，賦予材料如損傷感知、威脅響應、自我清潔、自我修復和自我降解等生物學特性。然而，將生物功能整合至固體材料（如塑料）中則面臨加工條件苛刻的挑戰，諸如活細胞、分離酶等。
今天小編和大家分享一篇今年4月份發表在ACS Synth Biol雜志上，名為“Cell-Free Protein Expression in Polymer Materials"的文章。該篇文章證明了聚合物嵌入的無細胞蛋白表達（CFPS）反應是在材料中添加復雜、DNA可編程生物活性的有前途的新方法。并展示了CFPS反應在熱和有機溶劑暴露下的顯著耐受性。這標志著DNA可編程生物功能被引入合成材料中的可能性，為合成生物學領域帶來了新的研究方向和應用前景。
研究背景
無細胞蛋白合成（CFPS）技術繞過了活細胞相關的限制，通過在細胞外重構基本細胞功能（如轉錄、翻譯和代謝），為在材料中實現可編程的生物功能提供了一種選擇。CFPS系統無需維持細胞活性，并且因其缺乏細胞膜，為研究人員提供了更多對反應環境的控制。此外，干燥后的CFPS粉末在室溫下存儲具有良好的穩定性，并且可以耐受有機溶劑暴露，這為實現其在聚合物材料中的應用奠定了基礎。
研究結果
1、溶劑澆鑄CFPS-PLGA
研究團隊成功將干燥CFPS反應粉末嵌入聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）中。他們發現，經有機溶劑處理的CFPS反應粉末能保持蛋白質合成活性，并在PLGA膜中恢復活性，表達出熒光蛋白。首先混合CFPS反應液與PLGA丙酮溶液，然后澆鑄成膜，并通過水合作用激活膜內的CFPS反應。這項技術展示了在非水凝膠聚合物材料中恢復復雜代謝反應和蛋白質合成功能的能力。
圖1:CFPS粉末鑄造成聚合物
2.熱鑄CFPS-PCL
研究人員探索了通過熱壓法將CFPS反應粉末嵌入到聚己內酯（PCL）中的可行性。實驗成功將CFPS粉末嵌入PCL中，通過手工熱壓機，將CFPS反應物加熱壓制于PCL片之間。重新水合并孵化后，CFPS反應粉末恢復活性，并在PCL片中觀察到熒光蛋白的表達且邊緣切割處的熒光信號更強，暗示水分滲入促進了CFPS的局部激活。這些結果表明，熱壓工藝后，有可能在聚合物材料中恢復CFPS活性。
圖2:熱鑄CFPS-PCL
3.CFPS-PLGA中的區域功能
研究人員制備了含不同DNA編碼的CFPS“墨水"，分別編碼綠色和紅色熒光蛋白，并將這些“墨水"鑄造到PLGA膜中。結果顯示，CFPS反應在聚合物內部成功激活，產生了預期的熒光蛋白，實現了多功能空間定位。并將其嵌入PLGA材料，成功在同一塊材料中表達出不同的熒光蛋白。該研究不僅證明了CFPS技術在非水性聚合物中實現復雜生物功能的潛力，而且展示了通過改變DNA序列可輕松更改或組合功能的靈活性。
圖3:CFPS-PLGA膠片中局部功能的顯微觀察
4.CFPS-PLGA中大腸肝菌素的生產
研究人員通過將編碼大腸桿菌素E1的線性DNA與CFPS反應體系結合，再嵌入PLGA材料中。在PLGA薄膜中表達抗菌蛋白大腸桿菌素E1來證明CFPS提供聚合物材料通常無法實現的生物有效載荷的能力。實驗結果顯示，盡管CFPS-PLGA系統經歷了有機溶劑處理和高溫加工，但其中的大腸桿菌素E1仍能保持活性。當材料與水接觸時，大腸桿菌素E1能夠表達并有效抑制大腸桿菌的生長。這一成果不僅展示了CFPS技術在非生物材料中實現生物功能的強大能力，還為在聚合物材料中直接合成具有生物活性的抗菌蛋白提供了新途徑，對開發新型抗菌材料具有重要意義。
圖4:擴展溶劑鑄造聚合物的功能
5.CFPS-PLGA中的傳感器功能
最后，研究團隊演示了一種動態感覺和響應功能，這是聚合物材料中通常沒有的一種生物學通用能力。研究人員選擇了一個RNA腳架開關傳感器，通過將傳感器與比色報告酶聯系起來。利用包含編碼LacZ（B-半乳糖苷酶）的質粒和同源觸發RNA的質粒的凍干CFPS粉末樣品，制備了對特定RNA信號響應的塑料傳感器。傳感器接觸觸發RNA時，可激活酶的表達，通過顏色變化指示目標分子。該技術為聚合物材料賦予了生物傳感能力，且可靈活調整傳感器功能，開辟了合成生物學在材料科學的新應用可能性。
結論
本文探討了無細胞蛋白合成（CFPS）技術在聚合物材料中的應用，進一步證明了CFPS技術的廣泛應用前景和在合成生物學領域的潛力。該技術能通過調整DNA序列并將CFPS反應粉末嵌入到聚合物中以實現材料復雜的生物功能，如熒光蛋白產生、抗菌功能及傳感響應等，為生物材料帶來動態變化與多功能性。
備受追捧的工程生物材料概念包括使用活細胞賦予人為材料生物學中常見的新功能（傳感、自愈和動態多功能性點等）。而CFPS系統可以用于在聚合物材料中實現其中許多目標，規避了與維持細胞活力相關的挑戰以及轉基因生物釋放的擔憂，CFPS可以將應用推向普通的材料和設備。
參考文獻：
Lee MS, Lee JA, Biondo JR, et al. Cell-Free Protein Expression in Polymer Materials. ACS Synth Biol. 2024;13(4):1152-1164. doi:10.1021/acssynbio.3c00628
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