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微生物所在微生物合成生物醫學材料研究中取得進展


錄入時間:2017-7-18 15:16:21

  地球上存在著一類喜歡生活在高鹽環境中的微生物,極端的生活環境使這類嗜鹽微生物進化出了特殊的生存能力。對嗜鹽微生物的研究不僅為探索生命的極限適應機制提供了重要啟示,同時也為其特殊功能和代謝產物的利用提供了可能。中國科學院微生物研究所向華研究組一方面從事極端嗜鹽古菌遺傳機制(如基因組復制和CRISPR功能)的基礎研究,另一方面長期開展嗜鹽微生物合成生物可降解塑料的應用基礎研究。通過10余年的系統工作,該團隊已從基因組層面系統闡明了以地中海富鹽菌為代表的嗜鹽古菌參與生物可降解塑料PHBHV合成與降解的關鍵酶、關鍵途徑和相關調控因子,并利用代謝工程提高了PHBHV的產量。近兩年,向華團隊以此為基礎,在利用嗜鹽古菌合成高附加值生物醫學材料基礎研究方面又取得了系列新的進展。

  地中海富鹽菌可利用多種廉價碳源高效合成3HV單體比例恒定(~10 mol%)的PHBHV,并可采用水提法方便地提取,因此具有重要的工業開發潛力。針對該菌合成PHBHV種類較單一的問題,向華團隊以該菌為細胞工廠,通過發酵工程技術合成了具有不同單體聚合方式的系列R-PHBHV和O-PHBHV。聚合物的3HV單體含量由10 mol%提高到了60 mol%,豐富了嗜鹽菌PHBHV的材料性能,如材料的斷裂伸長率由5%提高到了508%。有趣的是,O-PHBHV同時含有無規共聚物片段和嵌段共聚物片段,膜表面具有規則的微米級孔洞,表現出了優良的凝血性能,可以作為潛在的創傷修復材料,相關工作前期已發表在Biomacromolecules, 2015,16:578-588上。為了進一步推動嗜鹽微生物合成的PHBHV在再生醫學領域的高附加值應用,該團隊對材料在模擬體液(含有脂肪酶的PBS)和兔子體內的降解性能以及生物相容性進行了系統研究。與PLA(FDA批準的生物醫用高分子材料)以及細菌來源的Reu-PHB和Reu-PHBHV相比,嗜鹽微生物來源的PHBHV更有利于成纖維細胞和成骨細胞的貼附和增殖,表現出了更好的細胞相容性。嗜鹽微生物合成的PHBHV在兔子皮下的降解速度要比在模擬體液中的降解速度快,且不同材料表現出不同的降解速度。其中,膜表面具有微米孔洞的O-PHBHV降解得最快,這是首個被報道降解速度快于PLA的PHA材料。同時發現,當植入兔子皮下,與細菌材料和PLA相比嗜鹽古菌PHBHV僅僅引起了輕微的炎癥反應。因此,嗜鹽微生物合成的PHBHV具有多樣化的降解速度和良好的生物相容性,暗示這類材料將在不同的生物醫藥領域具有廣闊的應用前景。相關工作最近發表在生物材料期刊Biomaterials, 2017,139:172-186上。

  上述最新進展為進一步開發極端微生物資源、合成高附加值生物醫用材料開拓了新的方向,也將提升嗜鹽微生物PHBHV在疤痕愈合、軟骨修復、神經修復等多個領域中的醫用價值。向華團隊青年學術骨干韓靜(副研究員,中科院青促會2015年度會員)是上述兩篇論文的第一作者,向華為通訊作者。相關研究得到了國家自然科學基金(重點項目和面上項目)及中科院青年創新促進會的資助。

 

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