"孢子工程仍是一项新兴技术，"尼克拉·奈尔说道，"大多数产品仍处于开发阶段，尚未准备好大规模商业应用。我们希望扩大融合靶点列表能加速这一进程。" 信用：尼克拉·奈尔
生物工程的一个显著特点是，科学家能够利用经过数百万年进化磨练的生物过程，高效地创造药物、化学品和其他改善我们生活的产物。如今，塔夫茨大学的研究人员发现了扩展细菌孢子应用潜力的新方法，这些孢子可作为化学反应、生物燃料生产或污染物分解的催化剂。
当某些细菌物种发现自己处于极端高温、低温、干燥、营养流失甚至消毒剂暴露等环境压力下时，它们会蛰伏并形成孢子——一种保护DNA核心的硬化蛋白质包被球体。这些孢子可以保持稳定和休眠状态数年，甚至数百年，耐心等待合适条件使其重新复活为活跃细菌。
这种非凡的稳定性使细菌孢子成为生物工程的有力候选者。研究人员正在设计孢子，使其表达药物、工业酶和催化剂，并用作生物传感器，将有用分子与孢子外层蛋白质外壳融合。与蛋白质融合的产品可以无需冷藏进行储存和分发，或在高温或接触强化学物质等极端条件下使用。
尽管前景广阔，但该技术遇到了一些障碍，包括近50种包被孢子的蛋白质中，仅有12种被探索作为与新物质融合的潜在对象。
扩展孢子工具包
如今，化学与生物工程副教授尼克拉·奈尔及其团队已将融合候选蛋白质列表扩展至包被细菌孢子的多达33种蛋白质，这一方法可能带来更广泛的生物工程产品。他们在《JACS Au》期刊上发表的一篇论文中描述了这项工作。
"孢子工程仍是一项新兴技术，"奈尔说道，"大多数产品仍处于开发阶段，尚未准备好大规模商业应用。我们希望扩大融合靶点列表能加速这一进程。"
细菌孢子产品类型可能包括口服疫苗递送，例如，表面带有抗原的孢子通过胃肠道刺激黏膜免疫反应。这使它们在无需冷藏的情况下分发到偏远地区以及实现无针接种方面极具吸引力。
孢子还可以被设计成在特定化合物存在时因荧光而发光，使其成为在恶劣环境中检测毒素的有力候选者。
污染清理潜力
通过在表面展示酶，工程化孢子还可以作为化学反应、生物燃料生产或污染物分解的催化剂。
作为概念验证，奈尔和他的研究团队将外层孢子蛋白质与能够降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的酶进行了融合，PET是一种用于水瓶和汽车零部件等多种产品的硬质塑料。
为此，他们调查了扩展的孢子蛋白质列表，以找到最稳定和有效的融合产物。对于溶解PET的酶，小孢子外壳组装蛋白A(SscA)是他们测试的33种蛋白质中最佳的融合选择。它产生的活性比其他任何融合高出四倍，可分解PET单体。对于实际的PET固体塑料，与外壳蛋白Y(CotY)融合的酶表现出更高的活性，这与其在孢子外层外壳表面更具可及性一致。
研究人员还建议，在孢子中组合融合产物可能是创建多步骤过程的一种方式，先分解固体塑料，然后将释放的化学物质进一步代谢成环境安全的形式。
安全与商业化问题
随着生物工程孢子向商业应用迈进，一个关键问题是：当释放到环境中时，能否防止孢子重新激活为细菌？
"我们对激活孢子再次成为复制细菌的因素有很好的理解，"奈尔说道，"如果我们删除五个特定基因，它们将永远不会发芽并始终保持孢子状态。产品安全将是将孢子引入广泛应用的关键部分。"
奈尔建议，SscA、CotY和其他孢子蛋白质可以作为更多生物工程产品的候选者。这项技术的持续开发正由一家名为Caravel Bio的新创公司进行，该公司由奈尔实验室前研究生、该研究的合著者特雷弗·尼克领导。奈尔实验室前博士后研究员托德·查佩尔是这项研究的第一作者。
出版详情
托德·C·查佩尔等人，《通过孢子外壳成分广泛调查推进细菌孢子上的蛋白质展示》，《JACS Au》(2026)。DOI: 10.1021/jacsau.6c00594
期刊信息：《JACS Au》
关键概念
细菌、基因工程生物
提供方：塔夫茨大学
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