Nature Communications∣氧化还原驱动的电子反馈，层级化和网络化控制生物系统

“Nature Communications∣氧化还原驱动的电子反馈，层级化和网络化控制生物系统”

           

文献信息：

Sally Wang, Chen-Yu Chen, John R. Rzasa, Chen-Yu Tsao, Jinyang Li, Eric VanArsdale, Eunkyoung Kim, Fauziah Rahma Zakaria, Gregory F. Payne & William E. Bentley.

           

https://doi.org/10.1038/s41467-023-44223-w

           

Nature Communications 影响因子：17.694

           

背景介绍

微电子设备通过氧化还原反应在生物系统内传递电子信息，实现与生物体的直接通信。研究者利用电极诱导的氧化还原数据传输和合成生物学技术，对生物系统的不同层次进行了精确的控制和电子监测，这些层次包括蛋白质、细胞和细胞群体。

在这项工作中，研究者选择了辣根过氧化物酶作为研究对象，将其固定在交错电极上，并通过调节电极的电势来控制产生过氧化氢的活性。对于大肠杆菌，研究者重新构建了其应激反应调控网络oxyRS，采用了一种算法驱动的反馈控制系统，促成了基因表达的精确调节。此外，引入了eCRISPR模块，实现了细胞间的群体感应通信切换，使细胞能够‘双语’交流。

最终，研究者将这些基于氧化还原的设备通过无线技术相连，达成了实时通信和远程控制的目标。这些创新方法有望加深我们对生物系统的理解，并推动复杂生物控制技术的发展。    

图文解读

​

           

图1 通过氧化还原过程连接电子和生物分子通信

           

（a）电子通信（左侧）主要依赖自由流动的电子传递或电磁波进行通信。相反，分子通信（右侧）使用化学分子信号进行信息传递。氧化还原方式可以通过能与电子和生物双方互动的氧化还原活性分子来连接这两种截然不同的通信方式。电生物制造技术可以创建传输接口，而电遗传学使得可以特定激活工程化的基因电路。

（b）氧化还原信号方式能够使生物和电子相连。在这里，一个编码的电子输入首先被转换成化学信号：(i) 一个被氧化的氧化还原介体（如二茂铁，Fc），它促进水凝胶的组装；以及 (ii) 被还原的氧气（O2被还原成H2O2），这可以被多个生物子系统在蛋白质（顶部）、细胞（中间）和多细胞（底部）层面上解读。细胞产生的光信号（例如，荧光）以及电化学电流（来自过氧化氢的生成）被记录、计算，并反馈到过程控制算法中以进行控制，从而建立起一个电-生物-电通信循环。   

           

           

           

图2 电生物制造用于生物组分的组装以及

与光电化学电子系统的整合

           

（a）示意图展示了PEG-SH的氧化交联、HRP连接明胶水凝胶（酶组装）的组装，以及大肠杆菌和PEG-SH的共沉积（细胞组装）。    

（b）空间可编程沉积。

(i)荧光显微成像显示含有SYTO-9染料的大肠杆菌BL21组装在直径2毫米的圆形、5×5毫米的正方形和10×10毫米的正方形金电极上形成的“人工生物膜”。

(ii) 电汇集HRP的活性，通过ABTS测定以405纳米处的吸收度表示。

(iii) 电汇集的“人工生物膜”中含有大肠杆菌BL21细胞（OD₆₀₀=5）分泌的AI-2活性。

（c）代表性Z轴堆叠共焦显微成像显示了含有GFP表达大肠杆菌（DH5α-sfGFP）的“人工生物膜”。

（d）基于ITO的3D打印光电化学装置。

（e）在基于ITO的电化学平台产生的过氧化氢（H2O2）（蓝色）与施加的电荷（橙色）相关。

（f）在过氧化氢生成期间获得的电流。

               

           

图3 在“人工生物膜”中可调控的eCRISPRa

             

（a）示意图展示了由oxyRS调控子驱动的电子遗传CRISPRa系统。

（b）“人工生物膜”实验的通用工作流程和设置。

（c）显微镜下观察携带eCRISPRa-GFP遗传盒的大肠杆菌嵌入在PEG-SH膜中的情况。

（d）通过eCRISPRa激活的PEG-SH膜中大肠杆菌的百分比。

（e）AI-1测定显示通过CRISPRa lasI细胞产生的AI-1量。

（f）在由eCRISPRa lasI细胞（在膜中）和AI-1荧光报告器（NEB10β + LasR_S129T-GFPmut3）构成的共培养体系中测得的荧光。

             

   

           

图4 eCRISPR 抑制天然的QS信号传导和多路复用QS通讯控制

           

（a）示意图显示了利用luxS eCRISPRi抑制AI-2 QS信号传导。

（b）在不同诱导后时间点收集的过滤培养基样品中测量AI-2活性。

（c）示意图展示了利用多路复用eCRISPR工程化一个“双语”菌株。

（d）在沉积后7小时收集的过滤培养基样品中测量AI-1水平和AI-2活性（通过发光报告细胞）。

               

             

图5 酶活性的自动化动态控制

             

（a）定制的电化学平台，其中一个图案化的ITO（氧化铟锡）玻璃片附着在一个3D打印的外壳上。

（b）通过将ITO涂层玻璃激光切割成锯齿形图案来生成一个互相间隔的电极，以确保在裸露电极上生成的过氧化物（氧化剂）在HRP/明胶水凝胶的附近，便于检测。

（c）电生化平台的工作机制。

（d）数据写入和存储的示范。

      (i) 在WE1上生成的电荷（海军蓝色）和从WE2获得的电流（粉红色）随时间绘制。粉红色实心圆圈：在120秒时记录的终点电流。

      (ii) 随时间在WE1和WE2上施加的电压。

（e）“长期”数据存储的示范。

      (i) 在WE1上施加的总电荷持续600秒。    

      (ii) 随后在WE2上获得的电流（插图：0-120秒）。红线和开放圆圈表示记录终点电流的时间（在120秒时）。

           

           

图6 基因表达的自动化动态控制

             

（a）BioSpark系统的示意图，该系统允许电化学诱导和实时荧光/电化学测量。

（b）自动化实验流程。含有工程细菌的“人工生物膜”组装在光电化学装置上。通过BioSpark不断监控代表基因表达水平的荧光发射，并将数据发送到PC（用菱形表示）进行处理。

（c）eCRISPRa调控基因表达的自动化动态控制。

      (i) 含有eCRISPRa细菌的“人工生物膜”内的荧光水平。

      (ii) 作者自定义算法计算的斜率S与Smax的比值。

              

 

图7 网络集成以实现“生命互联网”中

eCRISPR活性的远程反馈控制

           

（a）eCRISPRa调控基因表达的自动化反馈控制

（i）含有工程化eCRISPRa细菌的“人工生物膜”荧光水平。

（ii）作者自定义算法计算的斜率S与Smax的比值。

（b）当前阈值（粉红色虚线）设置为1.1 μA。

               

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