最新!中国科学院深圳先研院国家杰青团队Nat Commun-合成生物学-结合代谢糖工程与点击化学的细菌纤维素生物正交功能化(预印版)
- 2026-02-07 09:25:12
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一、中文标题
结合代谢糖工程与点击化学的细菌纤维素生物正交功能化（Bio-orthogonal functionalization of bacterial cellulose combining metabolic glycoengineering and click chemistry）
二、发表单位及通讯作者
发表单位：上海科技大学、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、海军军医大学长征医院等。
通讯作者：Bolin An、Tianwen Ye、Yijun Zheng、Chao Zhong（钟超）
三、科学问题
如何在不破坏细菌纤维素（BC）固有优良性能（如机械强度、生物相容性）的前提下，开发一种通用、温和、高效的功能化策略，将多种生物活性分子（如抗菌剂、细胞黏附肽、酶等）共价接枝到BC上，以拓展其在生物医学（如慢性伤口敷料）等领域的应用？
四、发表时间
时间：2026年2月
链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69130-8
五、摘要
细菌纤维素（BC）虽具优良生物相容性与机械强度，但缺乏生物活性。本研究开发了一种结合代谢糖工程与点击化学的策略：通过发酵过程将叠氮修饰的单糖（GlcNAz）原位掺入BC，生成带有叠氮基团的BC（GlcNAz-BC）。随后，在温和水相条件下，通过铜催化或应变促进的叠氮-炔环加成反应（CuAAC/SPAAC），将带有炔基的功能分子（如抗菌卟啉、RGD肽、重组蛋白）共价接枝。作为概念验证，我们将葡萄糖氧化酶（GOx）与超氧化物歧化酶（SOD）的级联催化体系固定在叠氮化BC上，构建了一种可同时应对高血糖与氧化应激的多功能伤口敷料。在糖尿病（db/db）小鼠模型中，该敷料在14天内使伤口闭合率达92.12%，显著优于对照组。本策略为BC的功能化提供了一个模块化、可扩展且生物正交的平台。
图 1 图文摘要
六、研究背景
细菌纤维素（BC）由醋酸杆菌科微生物合成，具有高纯度、优异的机械性能、良好的生物相容性及三维纳米纤维网络结构，在组织工程、柔性电子和生物材料等领域展现出巨大潜力。然而，天然BC缺乏诸如抗菌、抗炎、抗氧化或细胞黏附等生物活性，限制了其在高端生物医学应用（如智能伤口敷料、组织再生支架）中的直接使用。
目前BC功能化主要依赖物理吸附或化学接枝。物理吸附简单温和，但功能分子易浸出，作用不持久；传统的化学接枝往往需要苛刻条件（强酸、有毒溶剂）来活化BC的羟基，可能导致材料降解、性能破坏及生物相容性下降。此外，BC致密的氢键网络使其难溶于常见溶剂，也给均一、高效的化学修饰带来挑战。
近年来，代谢糖工程为BC的原位功能化提供了新思路。该策略通过向产纤维素菌喂养带有非天然化学基团（如荧光基团、抗菌剂）的单糖类似物，使其在BC生物合成过程中直接嵌入多糖链，实现“内置”功能。然而，该方法仍面临挑战：单糖衍生物的化学合成步骤繁琐、产率低；类似物可能抑制细菌生长或降低BC产量；每种衍生物的生物相容性与功能性需个案评估，通用性差。
为克服这些局限，本研究提出将代谢糖工程与点击化学相结合的策略。点击化学（特别是叠氮-炔环加成反应）具有反应条件温和、效率高、生物正交性好等优点。通过代谢途径将“点击化学手柄”（如叠氮基团）引入BC，再利用点击反应接枝各类功能分子，有望在保持BC本体性能的同时，实现其功能的高度定制化与多样化集成。
七、研究结果
结果1、GlcNAz功能化BC（GlcNAz-BC）的设计与表征
研究合成了叠氮修饰的N-乙酰葡糖胺类似物（GlcNAz），并将其与葡萄糖共同喂养至产纤维素菌Komagataeibacter rhaeticus的发酵体系中。通过铜催化叠氮-炔环加成反应（CuAAC） 与荧光炔烃探针（VA）反应，证实了GlcNAz被成功代谢并入BC骨架，形成了带有反应性叠氮基团的GlcNAz-BC。荧光强度比较显示，其叠氮掺入效率优于之前报道的2-叠氮-2-脱氧-D-葡萄糖（deO）。分子模拟表明，GlcNAz中的叠氮基空间伸展更充分（7.43 Å），更利于点击反应。
优化实验表明，1 mM GlcNAz为最佳喂养浓度，能在不影响BC产量和厚度的前提下实现叠氮基团的有效掺入。扫描电镜（SEM）显示GlcNAz-BC孔径略小，可能源于叠氮基团增强的分子间作用力。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在1540.6 cm⁻¹和1647.7 cm⁻¹处出现酰胺特征峰，证实了GlcNAz的掺入。力学测试表明GlcNAz-BC的杨氏模量与天然BC相当，但疲劳应变提高了120%。热重分析、生物降解实验和细胞相容性测试均表明，功能化未损害BC的热稳定性、可降解性和生物相容性。该策略在K. xylinus和K. sucrofermentans等其他菌株中也同样有效，展示了其菌株普适性。
图2 设计与表征
结果2、叠氮修饰细菌纤维素（GlcNAz-BC）的功能化应用
研究展示了利用GlcNAz-BC平台共价接枝三类功能分子的能力：
小分子功能化（抗菌）：通过CuAAC将炔基修饰的光敏抗菌卟啉（Zn-Epor-PS）接枝到BC上，得到Por-BC。在白光照射下，Por-BC对白色念珠菌和金黄色葡萄球菌表现出强效杀灭作用（30分钟内减少>90%，10分钟内对S. aureus减少>99%）。
肽功能化（细胞黏附）：将炔基化的RGD肽接枝到GlcNAz-BC上，得到RGD-BC。与天然BC相比，RGD-BC能显著促进L929成纤维细胞的铺展（细胞铺展面积增加6.5倍）和黏附（活细胞数量增加12.8倍）。使用无铜的应变促进叠氮-炔环加成（SPAAC）也取得了类似效果。
蛋白质功能化（荧光与酶活性）：为解决蛋白质缺乏天然炔基的问题，采用了一种蛋氨酸残基选择性烷基化策略，使用BVSB试剂在温和光照条件下为蛋白质（如mCherry、辣根过氧化物酶HRP）引入炔基。随后通过点击化学将炔基化蛋白共价接枝到GlcNAz-BC上。成功制备了荧光蛋白mCherry-BC和酶HRP-BC，后者在鲁米诺化学发光实验中表现出比物理吸附HRP更稳定、更持久的酶活性。
图3 功能化组装
结果3、用于慢性伤口愈合的酶功能化BC敷料
针对糖尿病伤口环境中高血糖和氧化应激两大核心难题，研究将葡萄糖氧化酶（GOx）和超氧化物歧化酶（SOD）级联体系共价接枝到GlcNAz-BC上，制备了GOx/SOD-BC双功能敷料。
体外功能验证：GOx/SOD-BC能有效消耗葡萄糖并清除活性氧（ROS）。与物理吸附酶的对照组相比，点击化学共价固定的酶在充分洗涤后仍保持高活性，表明结合牢固。DPPH自由基清除实验和细胞水平ROS检测均证实了其优异的抗氧化能力。材料表现出良好的细胞相容性、血液相容性（溶血率<5%）和极低的内毒素水平（<0.1 EU/mL），符合生物材料安全标准。
体内疗效评估：在db/db糖尿病小鼠全层皮肤缺损模型中，GOx/SOD-BC敷料展现出最佳的治疗效果。至第14天，伤口闭合率达到92.12%，显著优于纯BC组（77.05%）、纱布组（59.93%）和未处理组（44.78%）。组织学分析（H&E和Masson染色）显示，GOx/SOD-BC组伤口上皮化更完整、真皮层更厚、胶原纤维排列更有序、新生血管更丰富。免疫荧光分析表明，该敷料能下调促炎因子（TNF-α, IL-6），上调抗炎因子IL-4，有效调节伤口微环境。21天皮下植入实验证实了其良好的体内生物安全性。
图4 体外测试
图5 体内测试
八、讨论
本研究成功开发了一种代谢糖工程与点击化学相结合的通用平台，实现了细菌纤维素（BC）高效、温和、模块化的生物正交功能化。其核心创新在于利用细菌代谢将叠氮基团“内源性地”植入BC网络，从而避免了传统化学改性的苛刻条件，最大程度保留了BC的固有优异性能。该平台展示了出色的功能扩展性，成功赋予了BC抗菌、细胞黏附、酶催化等多种生物活性。特别是构建的GOx/SOD-BC双酶敷料，在复杂的糖尿病伤口环境中展现了协同治疗潜力，为开发新一代智能伤口敷料提供了新思路。未来研究可致力于提高叠氮掺入效率的定量控制、拓展更多样化的“可点击”功能分子库，并探索该平台在生物传感、生物催化等更广泛领域的应用。
