中国科学院深圳先进技术研究院钟超、安柏霖&海军军医大学长征医院叶添文等NC: 结合代谢糖工程和点击化学的细菌纤维素生物正交功能化

研究速览

最近，中国科学院深圳先进技术研究院钟超、安柏霖团队，海军军医大学长征医院叶添文团队，上海科技大学郑宜君团队在《Nature Communications》期刊发表了结合代谢糖工程和点击化学的细菌纤维素生物正交功能化的文章。细菌纤维素具备优异的生物相容性和机械强度，却缺乏诸多生物医学与健康医疗应用所需的生物活性。为解决这一缺陷，作者开发了一种代谢糖工程-点击化学联用策略，可将叠氮基团原位掺入细菌纤维素中，再通过温和且高选择性的点击化学反应，将带有炔基的功能分子偶联于其表面。该方法摒弃了苛刻的化学处理，保留了细菌纤维素的天然本征特性，还能稳定接枝各类生物活性试剂，包括抗菌卟啉、精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽（RGD），以及具有荧光或酶学功能的重组蛋白。作为概念验证，作者将葡萄糖氧化酶与超氧化物歧化酶组成的级联催化体系固定在叠氮修饰的细菌纤维素上，制备出一款多功能创面敷料，专门用于改善高血糖与氧化应激问题—这两大因素是慢性创面愈合的关键障碍。在雄性糖尿病小鼠模型实验中，这款整合了葡萄糖氧化酶/超氧化物歧化酶的细菌纤维素敷料可在第14天将创面愈合率提升至92.1%，疗效显著优于各对照组。本研究提出的策略，为赋予细菌纤维素用户定制化的生物活性提供了一条可规模化、生物正交的技术路径，进而拓展了其在高端生物材料研发领域的应用价值。

要点分析

要点：细菌纤维素（BC）由多种醋杆菌科细菌产生，凭借高纯度、优异的机械强度和生物相容性等独特理化性质，成为一种用途广泛的生物材料，其无木质素和半纤维素的三维纳米纤维网络还赋予了它出色的孔隙率、保水性和结构稳定性，已应用于生物可降解复合材料、柔性电子器件等多个领域，但BC本身缺乏抗菌、抗炎、抗氧化、细胞黏附等高端生物医学和健康医疗应用所需的生物活性。目前现有的BC功能化方法存在明显局限：物理吸附因非共价相互作用弱导致活性物质易快速渗漏，化学接枝则常需强酸、有毒溶剂等苛刻条件，易破坏材料结构和生物相容性，且BC致密的氢键网络使其在水和多数有机溶剂中溶解性差，难以高效修饰且规模化受限。尽管代谢糖工程为BC改性提供了新可能，可将含特定化学基团的非天然单糖衍生物整合到多糖链中，但仍面临单糖衍生物合成繁琐低效、易受代谢屏障影响、需逐案评估兼容性等问题，因此亟需创新的BC功能化修饰方法。本研究为此开发了一种结合代谢糖工程与点击化学的生物工程平台，利用Komagataeibacter属细菌的代谢适应性，将叠氮修饰的N-乙酰葡萄糖胺类似物在生物合成过程中掺入BC，形成的叠氮修饰BC可在温和水溶液条件下通过铜催化叠氮-炔烃环加成或应变促进叠氮-炔烃环加成反应，稳定偶联多种功能分子，为验证该平台的治疗潜力，研究将葡萄糖氧化酶和超氧化物歧化酶组成的级联催化体系共价固定于GlcNAz-BC，制备出针对慢性创面愈合关键障碍的双酶水凝胶敷料，在雄性糖尿病小鼠模型中，该敷料第14天创面愈合率达92.12%，显著优于纯BC、纱布和未处理组，为BC赋予用户定制化生物活性提供了可规模化、模块化的生物正交路径。

图文导读

结论

本研究成功开发出整合代谢糖工程与点击化学的细菌纤维素生物正交功能化修饰策略，通过在温和环保的原位发酵条件下将叠氮基团引入BC基质，实现了各类功能试剂与BC的高效共价偶联，且叠氮基团在BC生物合成中具备良好的生物正交性，未被菌体消耗且能完整保留至纤维素分泌过程，该方法既维持了BC原本的机械稳定性、生物相容性等天然特性，又构建出可整合多尺度、多功能组分的通用支架，成功为BC赋予了荧光、抗菌、细胞黏附及酶催化等多种定制化生物活性，其中将葡萄糖氧化酶与超氧化物歧化酶固定于BC制备的双酶敷料，在糖尿病慢性创面愈合中展现出优异治疗效果，验证了该平台在高端生物医学领域的应用潜力。同时研究也指出当前仍存在叠氮接枝率因BC高结晶度和菌体代谢复杂性难以精准定量的问题，且该平台的功能载体适用范围、组分整合调控仍需优化，临床常用分子无固有炔基且对炔基化修饰敏感的实际局限，可通过多功能连接子、通用结合模块来解决。后续研究将围绕改造产纤维素细菌代谢通路以提升接枝效率、定制BC特性展开，同时探索多酶系统协同作用、先进传感分子与新型聚合方法的结合，通过拓展可点击基团范围、优化原位发酵工艺，推动该平台将BC转化为先进功能材料，助力生物传感、生物催化、塑料降解等多领域的技术创新。

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