Chemical reaction-mediated covalent localization of bacteria
Luo H, Chen Y, Kuang X, Wang X, Yang F, Cao Z, Wang L, Lin S, Wu F, Liu J.
Nat Commun. 2022 Dec 17;13(1):7808.
doi: 10.1038/s41467-022-35579-6 . PMID: 36528693
主讲人：王淼，2024年1月14日
研究进展：
微生物-宿主关系主要与细菌定植行为有关，在人类健康中起着重要作用。通过保持平衡的微生物群结构来维持宿主的代谢和免疫稳态，有益细菌和共生细菌的充分定植对于预防和治疗疾病至关重要。自然，微生物的定植主要取决于细菌表面与体内各种生物界面之间的相互作用。
例如，细菌进化为表达多种表面粘附素来促进界面粘附，从而促进细胞外粘多糖的合成和生物膜的形成，从而增强定植。因此，能够控制细菌与环境之间的界面相互作用的方法对控制微生物定植具有重要意义。通过合成生物工程或通过物理化学方法在表面引入粘附功能基团来表达特定的膜配体或受体已经被广泛探索，以改善细菌与宿主细胞外基质蛋白(如纤维蛋白原、胶原蛋白等)的相互作用。例如，大肠杆菌通过基因编码可控制其表面荚膜多糖的表达，从而通过干预其与免疫细胞的相互作用增加其在靶组织中的积累。生物膜结构的基因编辑已被用于调节枯草芽孢杆菌与环境动态相互作用的适应性和反应性。另一方面，我们与其他研究小组一起，采用物理包封或表面偶联的方法来降低细菌与不友好菌的亲和力环境物质，同时借助氢键、静电、疏水性和π-π共轭相互作用增加它们在感兴趣位置的体内保留。
然而，据我们所知，以前的方法完全基于细菌与其周围界面之间的非共价键，不可避免地导致相互作用不足。因此，替代方法，特别是加强界面相互作用的能力，以改善有益和共生细菌的定植，是非常可取的。
解决方案：
在这里，我们提出了通过化学调节细菌-宿主界面相互作用来操纵细菌定位的概念，并展示了其在开发细菌疗法中的应用，特别是能够增加黏液丰富的组织表面的积累。在细胞相容条件下，多种细菌表面丰富的初级氨基残基可以通过简单的一步亚胺酯反应转化为游离硫醇。表面硫代化产生具有化学活性的活细菌，这些活细菌能够通过动态硫醇-二硫交换反应形成新的二硫键，自发地与富含多(二硫)s的粘膜层连接。由于形成共价键的能力，表面硫化物化的细菌在靶向和定植具有粘稠粘液特征的组织方面表现出优势。与未经修饰的细菌相比，具有优化表面硫醇数的活性细菌在黏液丰富的空肠中的附着量高达170倍，这对肠道微生物的定植具有挑战性。作为微生物群移植的概念验证应用实例，我们将治疗性大肠杆菌Nissel 1917 (EcN)转化为硫代表面，并发现口服生物正交EcN可显著促进与空肠黏膜炎相关的炎症缓解。考虑到共价键辅助定位的特点，我们预计赋予细菌活性表面可以为制备各种功能活性生物制剂提供一个强大的途径。。在这里，我们提出了通过化学调节细菌-宿主界面相互作用来操纵细菌定位的概念，并展示了其在开发细菌疗法中的应用，特别是能够增加黏液丰富的组织表面的积累。在细胞相容条件下，多种细菌表面丰富的初级氨基残基可以通过简单的一步亚胺酯反应转化为游离硫醇(图1a)。表面硫代化产生具有化学活性的活细菌，这些活细菌能够通过动态硫醇-二硫交换反应形成新的二硫键，自发地与富含多(二硫)s的粘膜层连接(图1b)。由于形成共价键的能力，表面硫化物化的细菌在靶向和定植具有粘稠粘液特征的组织方面表现出优势。与未经修饰的细菌相比，具有优化表面硫醇数的活性细菌在黏液丰富的空肠中的附着量高达170倍，这对肠道微生物的定植具有挑战性。作为微生物群移植的概念验证应用实例，我们将治疗性大肠杆菌Nissel 1917 (EcN)转化为硫代表面，并发现口服生物正交EcN可显著促进与空肠黏膜炎相关的炎症缓解。考虑到共价键辅助定位的特点，我们预计赋予细菌活性表面可以为制备各种功能活性生物制剂提供一个强大的途径。
要点：
1.表面巯基化细菌的设计与表征。
2.引入的硫醇的反应性和表面硫化的通用性
3.表面硫化物化细菌与粘蛋白的反应。
4.黏液层上巯基化细菌的共价定位
5.硫代EcN在缓解黏膜炎中的应用
总结与展望：
我们已经描述了通过形成共价键来操纵细菌与环境界面相互作用的化学策略的使用。这种方法有几个特点:(1)提出化学反应性活细胞制剂;(2)细菌与环境之间共价键介导相互作用的概念;(3)体内原位化学反应激活细菌定位的一个例子;(4)微生物群成功移植到空肠的示范。与之前的修饰(如化学涂层和物理封装)相比，引入共价键更加坚固耐用，这些修饰会导致非共价相互作用不足，并且可以在几轮细菌复制后被破坏或消除。尽管与合成生物工程相比，化学修饰是相对暂时的，但可以避免与基因工程相关的基因污染的潜在安全问题。简而言之，我们的工作为化学调节微生物-宿主相互作用打开了一扇窗，并提供了一个通用的平台，为广泛的生物医学应用制备各种创新的细菌制剂。
