科研进展--中国科学院广州分院

丛枝菌根（AM）和外生菌根(EcM)树种具有显著不同的养分吸收和利用策略，被认为是影响这两类菌根树种全球分布的关键因素之一。同时，菌根真菌帮助宿主植物吸收水分，并提升植物抗旱性。然而，全球尺度下AM和EcM木本植物在抗旱性上是否存在差异，以及植物的抗旱策略是否影响不同菌根类型树种的分布格局尚不清楚。中国科学院华南植物园生态中心植物生理生态研究组博士后刘小容，建立了包含全球308个样地1457种木本植物（其中1139种AM和318种EcM植物）水力性状的数据库，通过对比AM和EcM植物水力性状的差异探究这两类植物在抗旱性上的差异，发现AM被子植物比EcM被子植物具有显著更低的抗旱性，特别是在湿润的地区或生物群系；然而AM裸子植物比EcM裸子植物具有显著更高的抗旱性，特别是在干旱的地区或生物群系。同时，相比于EcM木本植物，AM木本植物的水力性状具有更高的变异范围，包括种间和种内变异性，以及对环境水分条件更高的敏感性。该研究厘清了全球尺度下AM和EcM木本植物在抗旱性上的差异，以及进化历史和生物地理对AM和EcM木本植物抗旱性的影响，揭示了植物的抗旱策略也是影响不同菌根类型树种的分布格局和响应全球气候变化的重要因子。该研究将不同菌根类型树种抗旱性的差异从个体水平扩展到了全球尺度，对预测未来气候变化背景下植物生长、存活和分布具有重要意义。相关研究结果已近期在线发表于国际主流刊物New Phytologist（《新植物学家》）（IF5-year=10.2）。该研究得到了国家自然科学基金和广东省重点实验室项目的资助，论文链接： https://doi.org/10.1111/nph.20097图1. 全球尺度下不同水分条件和生物群系中丛枝菌根（AM）和外生菌根(EcM)木本植物水力性状的差异。

2024-09-11

南海所牵头实施的国家科技基础资源调查专项“中沙群岛综合科学考察”项目综合绩效评价获评“优秀”

2024月8月，由中国科学院南海海洋研究所牵头实施的科技基础资源调查专项“中沙群岛综合科学考察”项目顺利通过科技部相关部门组织的科学数据汇交和综合绩效评价，获评“优秀”。“中沙群岛综合科学考察”项目于2019年1月启动实施，项目团队汇集了南海科学考察和研究领域9 家优势单位，对中沙大环礁、黄岩岛、一统暗沙、神狐暗沙及其临近海域的珊瑚礁地形地貌、水文动力、地质结构、环境化学、生物生态、渔业资源等开展了7 个航次的系统性综合科学考察。通过考察，研究团队首次实现了对中沙群岛全海域珊瑚礁生态系统的普查，在中沙大环礁发现了23个新增暗沙，完成了中沙群岛高精度地形地貌图的绘制，并持续追踪了该海域的长棘海星生态灾害爆发过程。通过对调查数据、遥感数据与历史资料的综合整理、分析和汇编，研究团队出版了《中沙群岛综合科学考察研究报告》、《中沙群岛海洋生物多样性》、《中沙群岛造礁石珊瑚》等4部专著，发表了80余篇相关高水平学术论文，向有关部门提交专报2份；并依托中国科学院的“数字南海”数据平台实现了科考数据的开放共享。基于项目成果，研究团队还参与了对外发布的《黄岩岛海域生态环境状况调查评估报告》的编制工作，为国家维护中沙群岛国土权益与生态安全提供了最直接的科学数据支撑。中国科学院南海海洋研究所长期以来，坚持“立足岛礁、深耕南海、跨越深蓝”使命定位，不断深化对南海的科学考察、研究与认知，科技支撑南海的权益维护、资源开发与生态环境保护工作，努力发挥着国家海洋战略科技力量的应有作用。《中沙群岛综合科学考察研究报告》等科考专著

2024-09-09

深圳先进院王成团队等联合揭示海马编码时空信息机制（Neuron）

海马体作为情景记忆的关键脑区，海马体能够编码空间和时间信息，对于情景记忆至关重要。然而，空间和时间表征在海马记忆系统中的相互作用机制仍然不明确。海马体作为情景记忆的关键脑区，海马体能够编码空间和时间信息，对于情景记忆至关重要。然而，空间和时间表征在海马记忆系统中的相互作用机制仍然不明确。9月5日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所王成研究员团队和南方科技大学生命科学学院陈小菁助理教授团队，联合在Neuron杂志发表题为“Integration and competition between space and time in the hippocampus”的研究论文，首次报道了：1)海马神经元在多个一维导航任务中能同时编码空间和时间信息；2）空间编码与时间编码之间存在负相关性。该研究揭示了单个海马神经元对空间-时间编码的竞争-整合机制，为理解以时空信息为背景的情景记忆表征提供了重要的神经基础。文章上线截图早期研究发现，海马体中存在位置细胞和时间细胞，可以表征生物体在环境中的位置和特定时间段内的某个时刻。当使用不同的时间间隔时，时间细胞可能出现保持不变、重新计时，或按比例重新调整的情况，从而实现对时间体验的灵活表征。位置细胞和时间细胞构成了情景记忆中空间和时间背景信号的可能神经基础。然而，海马神经元在时空连续体中表征空间和时间的程度以及时空表征如何相互作用仍然是未解之谜。大多数传统研究在不同任务阶段分别考察空间或时间的表征。但是心理物理学研究表明，空间和时间的感知之间存在相互影响（如，距离判断往往随刺激的时间间隔增加而增加；同样，时间判断也随刺激的空间间隔增加而增加），这引发了关于海马表征中是否存在类似交互作用的问题。王成研究员和陈小菁助理教授长期从事海马相关脑区的空间和时间信息处理的神经机制的研究。团队的前期工作报道了外侧内嗅皮层和内侧内嗅皮层分别基于自我中心和世界中心参考系编码空间信息（Science 2018），压后皮层对多场景多物体空间感知的自我中心编码及微环路整合机制（Neuron 2024），以及外侧内嗅皮层的多尺度时间编码与任务经验的关系（Nature 2018）。为了进一步研究空间信息与时间信息编码的相互作用机制，团队设计了多种虚拟现实导航任务及现实世界任务，使用在体单光子显微镜技术，记录和研究了不同运动速度下海马CA1脑区神经元的时空表征。研究示意图研究发现，不论是纯粹的空间导航任务（固定距离长度的运动，没有明确的时间信息线索）还是纯粹的时间感知任务（固定时间周期的运动，没有空间视觉输入线索），海马CA1的许多神经元存在空间-时间信息的共同表征，即在同一个任务里可以同时表现为位置细胞（编码跑道中的具体位置）和时间细胞（编码从起始位置开始的已逝运动时间）。此外，时间表征能够捕捉行为任务中时间结构的相似性，可能有助于迁移学习。这些结果提供了位置细胞和时间细胞的统一处理，并与基于海马体时空框架组织情景记忆的理论相一致。研究还发现，海马的空间编码与时间编码之间存在竞争关系。例如对于某些位置细胞，偏好空间位置与已逝时间呈负相关关系，即在更短的时间周期下位置场会往后发生位移。同样，对于某些时间细胞，偏好时间与行进距离之间也存在负相关关系。这种竞争性的负相关性可以显著增强另一个维度的信息量。这些结果表明，空间和时间编码存在竞争-整合机制，符合不同脑区中认知变量的多重编码，可能作为时空轨迹或背景更好地服务于情景记忆。南方科技大学生命科学学院博士生陈士杰和中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所助理研究员程宁为论文共同第一作者，王成研究员和陈小菁助理教授为论文共同通讯作者。该研究是在国家自然科学基金面上项目、科技部脑计划重大专项、广东省自然科学基金项目、深圳市抑郁障碍精准诊疗重点实验室等资助下完成。

2024-09-09

深圳先进院| 基于再生代谢微环境的适配MAM材料设计和研发转化（Trends in Biotechnology ）

创伤、感染、肿瘤等造成的大面积骨缺损严重危害人类健康和生活质量。在临床治疗中，基于原位成骨的理念，发展高成骨活性骨修复支架基质材料是临床治疗大面积骨缺损的有效方案。从能量供应和物质合成转化角度，研发能够驱动骨再生合成代谢进而加速成骨作用的创新生物材料，是骨组织工程与再生的新兴方向之一。创伤、感染、肿瘤等造成的大面积骨缺损严重危害人类健康和生活质量。在临床治疗中，基于原位成骨的理念，发展高成骨活性骨修复支架基质材料是临床治疗大面积骨缺损的有效方案。从能量供应和物质合成转化角度，研发能够驱动骨再生合成代谢进而加速成骨作用的创新生物材料，是骨组织工程与再生的新兴方向之一。9月5日，深圳理工大学张鹏教授团队联合清华大学陈国强教授团队，以及北京大学口腔医院张旭助理教授团队在Cell Press出版社旗下期刊Trends in Biotechnology上在线发表题为“Metabolically activated energetic materials mediate cellular anabolism for bone regeneration”的研究成果。文章上线截图该研究通过多组学测序，同位素示踪以及多种动物模型解析了生物共聚酯P(3HB-co-4HB)促进骨再生的作用机理，发现P(3HB-co-4HB)植入体内后通过降解产生三羟基丁酸（3HB）作为内源性生物能量原料来源，增强细胞合成代谢，提高ATP的产生，促进人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)向成骨细胞分化和EA.hy926细胞类毛细血管网络形成。此外，3HB通过TCA循环代谢成柠檬酸盐，从而促进hBMSCs成骨分化过程中含柠檬酸盐的磷灰石合成，并最终以柠檬酸盐的形式参与了新生骨天然成分的形成。基于以上的研究成果，团队提出了“代谢激活能量材料（MAM）”的学术理论。该理论有助于基于再生代谢微环境的适配MAM材料设计和研发转化，可为再生医学的发展提供新的思路。研究示意图张鹏教授为该论文的第一通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员李健博士，以及陈国强教授、张旭助理教授为该论文的共同通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院为该论文的第一完成单位。香港中文大学秦岭教授对论文修改给出了建设性意见。基于该研究的产业转化，张鹏课题组也积极和产业对接，该项目先后获得深圳市创新南山2021“创业之星”创新大赛三等奖、第二届“率先杯”未来技术创新大赛优胜奖等奖项，体现了新型代谢激活能量材料的良好转化价值和临床应用前景。本研究工作得到国家自然科学基金委重大研究计划培育项目、广东省重点项目、深圳市科技局国际合作等项目的支持。

2024-09-09

亚热带生态所在西南喀斯特区植被生长的降水敏感性阈值识别取得新进展

中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林研究员团队在我国西南喀斯特地区植被生长对降水的敏感性差异取得重要进展，明确了不同地质背景下植被生长的降水敏感性阈值，相关研究成果近期以Precipitation sensitivity of vegetation growth in southern China depends on geological settings为题发表在国际水文学领域知名期刊Journal of Hydrology上。中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站王克林研究员团队在我国西南喀斯特地区植被生长对降水的敏感性差异取得重要进展，明确了不同地质背景下植被生长的降水敏感性阈值，相关研究成果近期以Precipitation sensitivity of vegetation growth in southern China depends on geological settings为题发表在国际水文学领域知名期刊Journal of Hydrology上。中国西南地区拥有全球最广泛的喀斯特地貌，其生态系统因独特的地质条件而对气候变化表现出高度敏感性。王克林研究员团队的前期工作显示，大规模生态工程已使该地区在过去20年里显著“变绿”。然而，全球变化背景下近年来该地区极端干旱事件频发，加剧了植被恢复生长的不确定性和风险。因此，科学区分不同地质背景下植被对气象干旱的敏感性，确定植被敏感的降水阈值，对支撑西南地区“变绿”的可持续性至关重要。针对上述问题，王克林团队王璐特别研究助理选取了叶面积指数（LAI）和核归一化植被指数（kernel NDVI）作为植被生长指标，探讨了西南八省中喀斯特地区与非喀斯特地区植被生长对降水的区域响应差异。研究发现，喀斯特地区的植被生长对降水量及其季节性变化更为敏感，而非喀斯特地区植被生长更多受到温度的控制。通过控制温度效应，研究团队确立了平均年降水量（MAP）阈值为1337至1438毫米，用以识别降水敏感区域。在喀斯特地区，此阈值稍高，显示出该区域植被对持续干旱的脆弱性更加明显（图1）。过去20年的数据显示，降水低于阈值的喀斯特区域的比例远高于非喀斯特地区，特别是在如2011年这样的极端干旱年份，喀斯特地区几乎全面低于该阈值，显示出对降水变化的极端敏感性，凸显了全球变化背景下喀斯特地区面临的干旱风险更为严峻（图2）。上述发现强调了在制定气候变化适应策略和森林管理措施时，需考虑地质背景的重要性。特别是在喀斯特地区，在实现初步“变绿”基础上，采取提升生态恢复持续性和稳定性的适应性管理措施至关重要，以缓解降水变化带来的影响，巩固和提升喀斯特生态脆弱区的绿化成果。该研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目及湖南省科技创新领军人才项目(2023RC1075)等资助。论文链接图1. 不同地质背景下植被生长降水敏感性阈值图2. 年降水量低于阈值的喀斯特区域/非喀斯特区的比例

2024-09-08

南海所在珊瑚共生微生物与噬菌体相互作用研究取得新进展

全球变暖导致海水温度的升高对全世界的珊瑚礁构成重大威胁。海水升温致使珊瑚共生微生物群落结构和功能改变，珊瑚条件致病菌趁机爆发，引发珊瑚疾病。珊瑚益生菌可以有效增强珊瑚对热胁迫的耐受性，从而延缓珊瑚热白化进程。中国科学院南海海洋研究所王晓雪团队围绕造礁珊瑚丛生盔形珊瑚的益生菌和条件致病菌深入研究，取得了一系列新的研究进展：1. 在珊瑚益生菌盐单胞菌（Hm43005）中鉴定到一种新型温和噬菌体Phm3，并详细解析了温和噬菌体Phm3复制、裂解和释放过程的新机制。这一类噬菌体的诱导激活遵循“复制-包装-切离”（Replication-package-excision,RPE）的途径，这种切离前的复制途径赋予了噬菌体扩增并包装宿主侧翼基因进行侧向转导的能力，并且这种侧向转导的效率显著高于普遍性转导。此外，四个裂解基因组成的裂解模块调控该类噬菌体的裂解，Phm3噬菌体裂解宿主的同时会诱导细胞产生外膜囊泡OMV，形成独特的具有侧向转导能力的噬菌体“搭载”OMV的复合形式（图1）。这类温和噬菌体在海洋生态系统中分布非常广泛，其介导的侧向转导可以在珊瑚礁生态系统和海洋生态系统中发挥重要的生态作用（图1）。相关研究成果以“Active prophages in coral-associated Halomonas capable of lateral transduction”为题，于2024年5月13日在线发表于《The ISME Journal》。中国科学院南海海洋研究所博士刘自尧为论文第一作者，研究员王晓雪和副研究员汤开浩为论文的共同通讯作者。图1. 嗜盐单胞菌噬菌体的侧向转导功能及其搭载OMV影响珊瑚共生菌群的组成2. 在珊瑚益生菌盐单胞菌（Hm43005）中发现新型噬菌体防御系统。在噬菌体与珊瑚共生细菌的军备竞赛过程中，细菌演化出高度多样的噬菌体防御系统以应对噬菌体侵染压力。Hm43005具有广谱的抗噬菌体能力，本研究从Hm43005中鉴定到一种新型噬菌体防御系统-Hma。该系统由单基因hma构成，hma编码融合Swi2/Snf2解旋酶的核酸酶HmaA，该核酸酶可以通过流产感染的方式发挥抗噬菌体的能力。突变分析显示HmaA核酸酶结构域（属于PDD/EXK超家族）的缺刻酶活性在噬菌体防御中至关重要。此外，HmaA同源物广泛分布于珊瑚共生细菌的基因组上，表明这种防御系统可被应用于设计具有高噬菌体抗性的珊瑚益生菌制剂（图2）。相关研究成果以“A nuclease domain fused to the Snf2 helicase confers antiphage defence in coral-associated Halomonas meridiana”为题，2024年7月9日在线发表在生物学期刊《Microbial Biotechnology》。中国科学院南海海洋研究所博士刘天朗为论文的第一作者，研究员王晓雪为论文通讯作者。图2. 嗜盐单胞菌（Hm43005）中新型抗噬菌体基因Hma3. 受国际知名生物领域学术期刊《PLoS Biology》邀请，结合近年来课题组对珊瑚条件病原菌的研究进展和同期发表的Mass等对珊瑚病原菌T6SS系统的工作，发表了评述文章。文章对温度依赖的珊瑚条件病原菌在温度升高的条件下，突破珊瑚宿主和共生细菌的免疫屏障的机制进行了总结和展望。Mass等人发现当海水温度升高时，溶珊瑚弧菌可激活两套自身编码的六型分泌系统，其中T6SS1携带靶向原核生物的效应蛋白，可用于杀死栖息在同一生态位的其他共生菌；而另外一套则携带靶向真核生物的效应蛋白，可用于抵抗珊瑚宿主的免疫系统（图3）。该评论文章题为“High temperatures increase the virulence of Vibrio bacteria towards their coral host and competing bacteria via type VI secretion systems”，9月5日在《PLoS Biology》期刊正式发表。中国科学院南海海洋研究所博士后王伟权为论文的第一作者，研究员王晓雪为论文通讯作者。图3. 海水温度升高激活溶珊瑚弧菌编码的两套T6SS系统以上研究对珊瑚致病菌的致病机理，以及开发珊瑚益生菌制剂提供了科学依据。研究同时也为维护珊瑚礁生态系统的健康提供了新的科学视角，具有重要的科学价值和生态意义。工作得到国家自然科学基金委基础科学中心项目、国家自然科学基金、国家科技部科技基础资源调查专项、博新计划等项目的资助。

2024-09-06

深圳先进院朱英杰团队揭示“减肥药”GLP-1R激动剂的全新中枢作用靶点

肥胖作为全球十大慢性疾病之一，全球在减重药物方面的研究历史已超百年。2014年后，胰高血糖素样肽-1（GLP-1）受体激动剂异军突起，无论从疗效还是安全性方面均远超其他减重药物，也带动了减重药物的研发和上市热潮。肥胖作为全球十大慢性疾病之一，全球在减重药物方面的研究历史已超百年。2014年后，胰高血糖素样肽-1（GLP-1）受体激动剂异军突起，无论从疗效还是安全性方面均远超其他减重药物，也带动了减重药物的研发和上市热潮。GLP-1作为一种肠促胰岛素激素，是前胰高血糖素基因（GCG）编码的前胰高血糖素的翻译后裂解生成，主要由肠道L细胞和脑干孤束核（NTS）中一部分神经元分泌。GLP-1的作用由GLP-1受体（GLP-1R）介导，广泛分布于外周和中枢神经系统。利拉鲁肽是短效GLP-1R激动剂，作用于中枢神经降低食欲，减缓胃排空，是第一个进入市场的基于GLP-1的抗肥胖药物。尽管GLP-1R在大脑中广泛表达，但其激动剂类药物在调节食物摄入和体重方面的具体神经机制仍不完全明了。9月3日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院朱英杰团队在The Journal of Clinical Investigation期刊上发表了题为“GLP-1R–positive neurons in the lateral septum mediate the anorectic and weight-lowering effects of liraglutide in mice”的研究论文。该研究揭示了大脑外侧隔核（lateral septum,LS）中的GLP-1R阳性神经元，在利拉鲁肽发挥厌食和减重功能中的关键作用。文章上线截图以往对GLP-1类药物作用机制的研究大多集中在下丘脑（如弓状核，室旁核和内侧核）或后脑的背侧迷走神经复合体等区域。朱英杰课题组前期利用单细胞测序、光遗传等前沿技术对外侧隔核（LS）脑区进行了系统的解析，发现该脑区的Nts阳性神经元调控享乐性进食（Chen Z. et al.,2022 Molecular Psychiatry）,Esr1阳性神经元调控甲基苯丙胺奖赏效应（Chen G. et al.,2024 Neuron）。研究过程中，课题组注意到LS区域内存在大量的GLP-1R阳性神经元。考虑到LS脑区在调控进食中的重要作用，研究人员推测LS的GLP-1R神经元是否参与介导了利拉鲁肽的抑制食欲和减肥的效果。通过设计一系列实验，研究人员发现：LS脑区的GLP-1R阳性神经元（LSGLP-1R神经元）在利拉鲁肽局部或系统给药后都被显著激活。通过敲除LS脑区的GLP-1R，研究团队观察到利拉鲁肽的厌食和减重效应被显著减弱，表明LS脑区GLP-1R是利拉鲁肽一个新的中枢作用靶点。研究示意图进一步研究发现，LSGLP-1R神经元在摄食开始时的活动显著下降，并在摄食过程中维持在较低水平，直到摄食结束后恢复到基线水平。通过光遗传学和化学遗传学方法激活神经元的活动，能够模拟利拉鲁肽的效应，显著减少摄食量和降低体重。而当失活该群神经元时，利拉鲁肽的作用则被显著削弱。该研究为理解进食行为的神经机制、开发治疗进食障碍和肥胖的新药物，以及研究GLP-1R信号通路提供了新的见解和启示。朱英杰课题组的副研究员陈子君、助理研究员邓潇斐为论文的共同第一作者，朱英杰研究员为该论文的通讯作者。

2024-09-04

深圳先进院 | 梯度纳米等离子成像超构表面：实现SARS-CoV-2序列的快速无标记检测（Talanta）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所传感中心陈艳研究员团队与香港大学李文迪教授团队，在梯度纳米等离子成像超构表面传感器的生化应用方向取得新进展。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所传感中心陈艳研究员团队与香港大学李文迪教授团队，在梯度纳米等离子成像超构表面传感器的生化应用方向取得新进展。相关研究成果以“Gradient nanoplasmonic imaging metasurface for rapid and label-free detection of SARS-CoV-2 sequences”为题，发表在生化领域的高水平期刊《Talanta》上。深圳先进院冯鸿涛副研究员和香港大学的闵思怡博士为论文共同第一作者，陈艳研究员和李文迪教授为论文的通讯作者。论文上线截图论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0039914024009123自COVID-19大流行以来，公共卫生体系面临了严峻的挑战，病例和死亡人数激增，对快速、准确、低成本的诊断工具的需求急剧增加。尽管纳米光子超构表面生物传感器凭借其独特的光学操控能力和对折射率变化的高度敏感性，成为了新的研究热点。然而，传统超构表面传感器仍高度依赖昂贵的光谱仪设备，这大大限制它们在实际应用中的普及。因此，高灵敏、无光谱仪和经济高效的新型传感策略在现场检测的应用中具有极大的潜力。图：检测原理示意图为此，研究团队设计并开发了一种梯度纳米等离子成像（GNI）超构表面传感器，开创性地提出了一种光学势阱的新概念，实现了对SARS-CoV-2序列的无标记和一步式检测。该传感器的核心元件由一系列直径渐变的纳米柱阵列构成，这些纳米柱共同构筑了一个独特的光学势阱，能够在厘米级尺度上生成清晰可见的暗环图案。这一精心设计的动态光学势阱对传感器局部折射率的变化呈现出极高的灵敏度，其图案变化可通过高灵敏度的CCD相机实时捕获并记录。此外，研究团队通过设计精确的核酸探针，成功地在目标序列存在时将纳米金颗粒（AuNPs）锚定在传感器表面。这一纳米金信号增强策略显著提高了传感器对折射率变化的响应，使得原本微量的折射率变动转化为显著的图案变化，从而大大提升了检测的灵敏度，并展示出极高的特异性。图：工作范围和特异性能展示这种新型的成像检测方案无需使用复杂光谱仪装置，不仅降低了设备成本，还促进了便携式现场诊断工具的发展，为COVID-19及其他传染病的精准诊断提供了新途径，并在生物标志物检测领域具有广阔的应用前景。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基金委、深圳市科技创新委、香港研究资助局等多个项目经费的资助。

2024-09-04

深圳先进院科研团队发现“活”塑料：合成生物学助力塑料降解新解法（Nature Chemical Biology ）

该工作通过对微生物进行基因编辑并产生具备极端环境耐受能力的孢子，使其可以在特定条件下分泌塑料降解酶；并通过塑料加工方法（高温、高压或有机溶剂）将孢子包埋在塑料基质中。塑料的发明为我们的日常生活带来了极大的便利。但是，大规模塑料垃圾的产生以及不当的处理方式，使得塑料垃圾（白色污染）成为当下最为严峻的环境问题之一。8月21日，中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君课题组在Nature子刊Nature Chemical Biology发表题为“Degradable living plastics programmed by engineered spores”的研究工作。该工作通过对微生物进行基因编辑并产生具备极端环境耐受能力的孢子，使其可以在特定条件下分泌塑料降解酶；并通过塑料加工方法（高温、高压或有机溶剂）将孢子包埋在塑料基质中。文章上线截图日常使用环境中，孢子保持休眠状态，塑料也可保持稳定的使用性能。在特定条件下（表面侵蚀、堆肥），塑料中的孢子被激活并启动降解程序，完成塑料的完全降解（图1）。图1. 整体研究思路研究背景2016年，Yoshida等人报道了土壤细菌Ideonella sakaiensis，该菌株生长在日本一个塑料回收设施附近受PET污染的沉积物中（Science,2016）。这种革兰氏阴性、需氧、杆状的细菌具有非凡的能力，能够通过表达两个关键酶：PETase及MHETase，从而利用PET作为其生长所需要的主要碳源。在之后的一系列研究中，大量合成生物学领域的工作围绕着塑料降解相关酶的挖掘、设计、进化及改造开展，但鲜有工作关注可降解塑料的合成方法创新。2018年及2021年，具有高分子物理背景的Ting Xu课题组（University of California,Berkeley）先后在Science和Nature发表文章，从另一个视角和维度推进了可降解塑料的研发。在2018年的Science中，研究团队开发出一种由四种单体合成的聚合物(RHPs,random heteropolymers)，每种单体亚单位能与目标蛋白表面上的化学片段相互作用。这些单体亚单位相互连接模拟天然蛋白，从而使得它们与蛋白表面之间的相互作用的灵活性实现最大化，这种基于相互作用的理性设计使蛋白质在无细胞合成中进行正确折叠，并保持水溶性蛋白质在有机溶剂中的活性。在这个工作的基础上，Ting Xu的团队将塑料降解酶，RHPs与塑料母粒（聚己内酯，PCL）进行混合加工，RHPs保护了水解酶在苛刻的塑料加工环境中的生物学功能。在无水环境下塑料可以稳定使用，而在有水环境或堆肥条件下可以迅速降解（Nature,2021）。将降解酶预置在塑料里需要平衡加工过程中的极端环境与酶的稳定性。尽管Ting Xu团队的精彩工作提出了通过RHPs调节蛋白质稳定性这一确定方案，但是该方法的推广仍有诸多挑战。首先RHPs的合成难度高，即使对于具有一般化学合成背景的实验室也并非易事；其次，PCL加工温度（80-120摄氏度）在塑料家族中几乎是最低的，常见的塑料加工温度大多大于200摄氏度，其中PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）的加工温度更高达300摄氏度，RHPs的保护能力在这些体系中面临巨大挑战。沉睡的孢子与活塑料在自然亿万年的演化下，诸多微生物进化出了针对恶劣环境条件的抵抗力。当极端环境到来，不再适合生存和繁殖的时候，细菌就会转变成孢子的形式。这种转变可以让细菌获得超强的抵御能力。孢子可以忍受极端的干燥、温度和压力，而这些极端环境恰好存在于塑料加工的环境中。由此，研究团队提出通过合成生物学方法改造枯草芽孢杆菌，将可控分泌塑料降解酶（洋葱霍尔德菌脂肪酶，Lipase BC）的基因线路导入枯草芽孢杆菌，并在二价锰离子的胁迫环境中，迫使枯草芽孢杆菌“休眠”，形成孢子形态。产生的孢子同样带有编辑的基因线路，并且相比于细菌还具备了针对高温、高压、有机溶剂和干燥的耐受性。研究团队将工程化改造的孢子溶液与PCL塑料母粒直接混合，通过高温熔融挤出或者有机溶剂方法制备了一系列含有孢子的塑料。在物理性能方面的各项测试中，研究团队发现活塑料与PCL普通塑料，在屈服强度、应力极限、最大形变量和熔点等参数上均没有显著区别。日常使用环境中,孢子保持休眠状态，塑料也可保持稳定的使用性能（图2）。图2. 普通PCL塑料和“活”塑料的宏观、微观照片孢子的释放及降解过程的启动塑料降解的第一步，是需要将活体塑料内部的孢子成功释放并重新复苏生长。研究人员首先尝试了两种孢子释放的方式。一种方法是利用南极假丝酵母脂肪酶B（Lipase CA）对塑料表面进行侵蚀。Lipase CA对PCL塑料的水解作用是一种“剪刀”形式（图3），在宏观上表现为对PCL塑料的外部破碎作用。图3. 两种酶对PCL塑料的降解机理示意图在Lipase CA的作用下，PCL表面被破坏，包埋在材料内部的工程化孢子被释放到外界环境中，并开始复苏生长，启动Lipase BC的表达。Lipase BC会与PCL高分子链末端结合，进而将PCL分子链一步步完全降解（最终降解分子量<500 g/mol）。结果表明，活体塑料可以在6-7天内迅速降解，而只有表面破坏（Lipase CA）作用的普通PCL塑料即使在21天后，也有大量的塑料碎片存在（图4）。图4. 两种酶对PCL塑料，降解前后的表面结构和分子量变化。(a) CA酶处理普通PCL塑料（左）和活体功能塑料（右）的降解效果；(b)活PCL降解过程中分子量变化曲线；(c) 仅CA酶对普通PCL塑料降解过程中分子量变化曲线另一种孢子释放的方法是堆肥，在不需要任何其他外源制剂的加入下，土壤环境中活塑料能够在25-30天以内就可被完全降解。而传统PCL塑料则需要55天左右才能被降解至肉眼不可见（图5）。图5. “活”塑料在土壤条件下的堆埋降解。(a) 活体塑料在土壤环境中降解；(b) 普通PCL塑料在土壤环境中降解前面提到，在塑料家族中，PCL的加工条件实际较为“温和”，本研究中选择PCL体系更多是由于其高效的酶降解系统基础：Lipase BC作为一种processive enzyme可以捕捉PCL链进行完全降解。因此为了验证系统的普适性，研究团队继续尝试了其他的塑料体系，将带有绿色荧光质粒的孢子分别与PBS（聚丁二酸丁二醇酯）、 PBAT（聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯）、 PLA（聚乳酸）、PHA（聚羟基脂肪酸酯）甚至PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）进行混合加工，其中PET的加工温度高达300摄氏度，之后通过物理研磨的方法对孢子进行了释放。有趣的是，即使从PET塑料中释放出来的孢子依旧可以复苏并重新表达绿色荧光。这也为制作其他基底的活塑料奠定了良好的基础（图6）。图6. 其他基底“活”塑料。(a) 其他塑料种类及其加工温度；(b) 热熔制备多种基底的“活”塑料；(c) 物理破碎塑料，释放并激活携带绿色荧光蛋白的孢子；(d) 研磨破碎“活”塑料；(e) 工程化孢子成功释放并表达绿色荧光蛋白为了验证系统的放大可能，研究团队还使用单螺杆挤出机进行了小规模工业化测试，经过上述方法得到的活体的PCL塑料，依然具有快速高效的降解效率（图7）。并且，研究人员还将活体塑料置于雪碧环境中浸泡2个月，在没有外界作用的情况下，活体塑料能够保持稳定的外形，说明活体塑料能够像传统塑料一样使用，只有在它们被破坏或被废弃的条件下，才会启动降解程序。这项研究为新型可生物降解塑料的开发，提供了新的视角和方法，有望助力解决当下严重的塑料污染困境。图7. 单螺杆挤出机制备“活”塑料，及其降解性能测试。(a) 单螺杆挤出机制备得到的活体功能塑料；(b) 单螺杆制备活体功能材料的降解测试戴卓君研究员为论文通讯作者，戴卓君课题组联培博士唐琛望为论文第一作者，王林及孙静在实验设计、推进和文章修订中做出了重要贡献。该研究获得国家重点研发计划等多个项目的支持。参考文献：[1] Yoshida S,Hiraga K,Takehana T,et al. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)[J]. Science,2016, 351: 1196-1199.[2] Panganiban B,Qiao B,Jiang T,et al. Random heteropolymers preserve protein function in foreign environments[J]. Science,2018,359: 1239-1243.[3] DelRe C,Jiang Y,Kang P, et al. Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes[J]. Nature, 2021,592: 558–563.

2024-08-26

华南植物园在海岸带土壤细菌群落构建研究取得新进展

资源匮乏在自然界中普遍存在，影响了土壤微生物的多样性和共存。然而，目前资源可得性对土壤微生物群落组装的复杂影响尚不清楚。生态中心硕士研究生吴赐豪在任海研究员指导下，以我国广东、海南沿海的沙质海岸为研究对象，研究了土壤细菌群落的组装过程，重点关注了非生物和生物因素的相对重要性。研究发现，随着样地地理距离增加，细菌群落相似性呈现轻微下降趋势，土壤资源可利用性的空间变异（包括全氮（TN）、铵态氮（NH₄⁺）和全磷（TP））解释了75%的细菌群落总变异。土壤氮是主要限制性因子，在塑造细菌群落组成方面起到了关键作用。值得注意的是，土壤氮增加并没有缓解氮限制或促进微生物多样性，相反，它通过增加对氮的整体需求，加剧了微生物物种间的负面相互作用，有利于选择高竞争力的物种，从而导致了确定性群落组装过程。本研究为土壤细菌群落的生物地理格局提供了新见解，为我国东南沿海海岸带的土壤生态恢复提供了科学支撑。相关研究成果已发表在国际学术期刊Global Ecology and Conservation（《全球生态与保护》），该研究得到科技部重点研发计划、中国科学院华南植物园青年人才项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gecco.2024.e03171

2024-09-03