麻省理工学院赵选贺Nature子刊：基于细菌的水凝胶生物容器，可进行连续感测和计算

核心冷链生物保全系统：赋能基于水凝胶的封装策略以应对转基因微生物的应用挑战


高分子材料科学


摘要：

转基因微生物（GMMs）在环境感应和响应性工程生物材料方面展现出广泛的应用潜力。然而，确保GMM在应用中的安全性，防止意外释放并满足法规要求，已成为增加技术可行性的关键制约环节。本研究聚焦于麻省理工学院TzuChieh Tang博士、赵选贺教授以及Timothy K. Lu教授团队共同开发的基于水凝胶的物理保全策略——DEPCOS，旨在通过结合生物兼容性与力学强度提供冗余、多层次和稳健的保全措施，以弥合这种差距。本文详细阐述了DEPCOS的设计原理、制造过程、防护机制、机械稳定性和搜索功能，尤其强调了其在环境监测中的应用潜力，以及如何通过内嵌的安全机制实现对DNA转移和有害增殖的控制与监控。




内容解析：


设计与制造：

研究人员设计了一种创新的封装系统，其核心由基于藻酸盐的水凝胶构成，包裹于坚韧的水凝胶壳中，该壳结合了聚丙烯酰胺的可拉伸性与藻酸盐的能动耗散特性，能够通过解开离子交联在聚合物链间实现柔韧性。通过将活细胞与藻酸盐液滴混合并在50或100μl的小体积内快速与钙离子交联形成球形结构，随后，采用中间层封装来增强系统的物理稳定性，进而为被包封的细胞提供了生物兼容的生长环境。

防护机制：

DEPCOS的设计旨在抵御极端环境压力。坚硬的水凝胶外壳为细菌提供物理隔离，允许基于藻酸盐的内核支持细胞生长同时为整体结构提供机械保护。通过优化孔径大小，确保大肠杆菌等细胞无法逃逸到周围介质，即使在长时间培养过程中，细胞也难以从包被珠粒中物理逸出。这种设计不仅考虑了力学上的稳定性，还兼顾了对生物介质的抗性。

协同双模抑制：

研发团队采用双模策略来确保生物保全的有效性，结合物理遏制与化学控制。对封装后的细胞进行预先浸泡处理，通过特定介质（允许或不允许的成长环境）来限制菌株的功能生理活动，例如通过培养基中加入或移除特定底物，如必需营养补充剂或抑制剂，来控制封装细胞的存活率和活性。这一协同策略极大地增强了系统对潜在威胁的抵抗力，确保封装生物学系统在极端环境条件下的稳定性。

演示实例：

研究详细探讨了坚硬的水凝胶外壳作为生物防护层的功能，以及封装细胞在遭受环境应激，如抗生素和极端pH值条件下的耐受性。通过拓宽系统的防治范围，DEPCOS证明了其在多种环境条件下的适用性，不仅为物理.setParent.appendChild toEventListener, 而且展示了在其内部执行传感、记录和交流能力的潜力。

传感与计算应用：

集成到现有传感平台中的封装细菌细胞，借助特定遗传设备展示了它们在复杂环境下执行功能的能力。设计的封装细胞能够执行有用的任务，如与其他封装细菌的细胞间通信，以及对查尔斯河水样中重金属含量的实时监测。利用基因编辑技术，研究人员在封装的GMM中记录和传播信息，展现了系统的数据处理和处理能力，突显了其在环境监测和治理领域的应用潜力。

结论与展望：

通过详尽的技术解析与实例证明，DEPCOS系统为GMM的应用提供了有效且可靠的物理保全方法，不仅增强了系统在多种环境条件下的生存能力，还为复杂生物信息处理系统的设计与实施开辟了新途径，预示着GMM在环境保护、资源监测和生态健康等领域内具有广阔的应用前景。该系统有望进一步优化设计，提高在响应性和活性控制方面的灵活性，以应对日益复杂的环境挑战，推动生物科技的可持续发展。

引用文献：


[可以通过DOI链接检索完整的原文]

本文章旨在通过深度分析，详细展现DEPCOS（部署生物遏制策略—— deployable physical containment strategy）在管理转基因微生物环境逃脱问题上的应用过程和关键技术实现，着重于其物理保全机制的创新性设计、生物兼容材料的优化利用、以及传感与计算功能的集成实现。通过结合严谨的技术解析与具体案例分析，阐述了该系统在解决安全性、稳定性和功能多样性方面的一系列策略与成果，为转基因微生物在环境应用领域提供可靠的安全保障，开启了生物安全科技的新篇章。