《突破 | 中国科学院物构所光固化3D打印微生物活性体研究获进展》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2022-11-16
  • 近年来,水体富营养化对水生态平衡和人类健康造成危害。固定化微生物技术是利用物理或化学方法将游离微生物细胞限制在一定空间区域内,既能免受流水冲刷流失、可重复循环利用,又能保持生物活性,可有效去除水体中的污染物,但因现有材料及制作方法的限制而未得到广泛应用。

    3D生物打印技术是依托于信息技术、精密机械及材料科学等多学科发展起来的尖端技术。它可将生物材料、活细胞、活细菌等生物体、进行逐层定位来组装成一个复杂的三维活性体,并能实现不同的功能组件进行空间的组装,为固定化微生物提供了新思路。然而,制备出具有环境污染物修复功能的3D打印微生物活性结构功能体仍未得到充分研究。

    光固化3D打印微生物活性结构功能体及其在污水处理中的应用

    中国科学院福建物质结构研究所吴立新团队与中国科学院城市环境研究所于昌平团队合作,开发了一种含有异养硝化细菌的新型双网络交联PEGDA-藻酸盐-PVA-纳米粘土(PAPN)高分子微生物3D打印墨水。研究人员利用挤出式3D打印技术,打印了具有去除污水中氨氮的PAPN微生物活性功能体。该3D打印生物活性功能体可在12 h内有效去除污水中96.2±1.3 %氨氮,且在模拟常温、无培养基的运输模式下保存168 h后,仍保持去除氨氮的微生物活性,具有环境友好、可定制化制备、重复利用等优势。这将提升3D生物打印技术在水污染治理等方面的应用潜力。

相关报告
  • 《中国科学院微生物研究所研究发现裂谷热病毒治疗性抗体》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:huangcui
    • 发布时间:2019-04-11
    • 裂谷热病毒(Rift Valley fever virus,RVFV)属于布尼亚病毒目白纤病毒科白蛉病毒属。经蚊虫传播,可感染动物和人。RVFV可引起反刍动物流产,而且患病幼崽死亡率近100%,历史上RVFV曾对畜牧业造成多次重创。人感染后通常出现发热、头痛、出血、休克等症状,严重者甚至死亡。2000年至2018年6月,全球向WHO通报RVFV重症感染病例4830例,其中967例死亡病例,病死率近20%。然而,自1931年鉴定以来,目前仍无商业化的人用疫苗和特异性治疗药物。RVFV的流行地区主要集中在非洲,但是2000年,RVFV突破地域限制,登陆阿拉伯半岛,在沙特阿拉伯和也门地区造成大范围疫情。2016年,我国也报道一例输入病例。因此,RVFV是典型的、可造成新发突发传染病疫情的高危病原。 中国科学院微生物研究所微生物生理与代谢工程重点实验室研究员严景华长期从事治疗性抗体和新型疫苗研究,研发了针对MERS冠状病毒(MERS-CoV)的新型疫苗及在动物模型上有预防和保护作用的MERS-CoV人源化抗体。严景华与中国科学院院士、微生物所微生物与免疫学重点实验室研究员高福合作,曾率先筛选出Zika病毒人源中和抗体。此次两个团队再次合作,面向国家重大需求,在一例RVFV感染的康复病人体内率先分离到高效中和RVFV感染的单克隆抗体。该抗体在小鼠模型上能有效治疗RVFV感染,有望成为治疗其感染的候选药物。4月1日,该研究成果以Neutralization mechanism of human monoclonal antibodies against Rift Valley fever virus 为题发表在《自然-微生物学》(Nature Microbiology)上。 RVFV病毒表面含有Gn和Gc两种囊膜蛋白,是负责病毒与细胞粘附和膜融合的关键蛋白。高福团队曾率先解析白蛉病毒属重症伴血小板减少综合征病毒(SFTSV)与RVFV的Gn的结构。针对RVFV的感染,研究团队首先检测到一例RVFV感染患者体内存在高水平的Gn和Gc的结合抗体,说明Gn与Gc可以同时激发人体的免疫反应。因此以Gn和Gc为“诱饵”,研究团队从康复患者的体内筛选到8株结合Gn及1株结合Gc的抗体。然后,通过细胞水平的中和实验,研究团队发现靶向Gn的抗体具有极高的中和活性。相比之下,分离到的Gc抗体则显示出较弱的中和活性。相应地,在小鼠感染模型上,Gn特异性抗体也显示良好的预防和治疗RVFV感染的效果,而Gc抗体则无明显保护作用。研究团队进一步通过流式分析发现Gn抗体可以阻断Gn蛋白以及RVFV病毒粒子对易感细胞的粘附,而Gc抗体则没有这样的效果。这些结果说明Gn抗体通过结合到病毒粒子上的Gn,阻断病毒与细胞的粘附,从而中和RVFV的感染。研究团队分别解析了Gn与4株中和抗体的复合物结构,鉴别出Gn的结构域I(domain I, DI)上存在3个中和抗体结合位点(A,B与C),其中抗原位点A与B是中和抗体的结合热点,超过半数的Gn抗体都靶向A与B。 此项研究首次揭示出RVFV感染人体时Gn是优势抗原,并且Gn上存在至少2个中和抗体的结合热点,这为RVFV疫苗的设计提供重要的理论基础。更为重要的是,研究团队筛选、分离到的高效人源中和抗体将成为预防和治疗RVFV感染的重要候选药物。
  • 《中国科学院海洋研究所成功实现微生物代谢过程的原位拉曼可视化定量分析》

    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:liguiju
    • 发布时间:2023-03-29
    • 中国科学院海洋研究所张鑫课题组和孙超岷课题组共同合作,基于共聚焦显微拉曼技术,通过三维定量成像实现了长期、近实时、非破坏性的微生物监测,对微生物生长和代谢情况进行可视化及定量分析,为未来分析微生物原位生物过程提供了新思路。研究成果近日发表于国际学术期刊《微生物学谱》(Microbiology Spectrum,IF= 9.043)上。 张鑫课题组在之前的工作中,观测到我国南海冷泉环境中单质硫含量丰富。随后孙超岷课题组发现了冷泉细菌Erythrobacter flavus 21-3可以高效氧化硫代硫酸钠生成单质硫,张鑫课题组通过拉曼光谱鉴定后发现单质硫结构为环状S8,研究成果发表在生物学领域权威期刊《国际微生物生态学会杂志》(The ISME Journal)。后续两个课题组合作将E. flavus 21-3及其突变株布放到深海冷泉喷口附近进行原位培养,证实该菌株在深海原位环境中也能形成硫单质,相关成果发表在国际生物学期刊《微生物学》(mBio),为解释我国南海冷泉喷口广泛分布硫单质的成因提供了重要理论依据。 由此可见,微生物是深海硫形成和循环的重要贡献者,其介导的硫代谢的研究对于了解深海硫循环至关重要。然而,由于深海环境极端复杂,采样困难、微生物难于分离培养等因素,以及缺少对硫元素的形成的近实时无损的监测方法,深海微生物的原位探测面临巨大挑战。目前主要通过经典的生物和化学方法研究硫元素的生成过程,例如X射线吸收近边结构、高效液相色谱、透射电子显微镜、离子色谱法或化学计量法等。但是这些方法主要通过取样来获知特定时间点的微生物代谢情况,不能在不破坏样品的前提下连续监测其在时间尺度上的代谢过程;并且其中一些方法样品制备复杂,会破坏细胞的原位真实性;也可能会出现取样不均匀及污染的情况,导致难以实现连续的原位观察。因此,亟需新的方法突破此瓶颈。 共聚焦显微拉曼三维成像技术拥有低成本、快速、无标签和无破坏性的优势,具有将定性、定量和可视化完美结合的潜力,为我们解决相关问题提供了新的思路。因此,为证明此技术的潜力,研究团队构建了一套固态基底上微生物群落拉曼三维定量原位分析方法,将光学可视化与拉曼定量分析相结合,可在时间和空间两个维度上无损定量表征微生物群落代谢过程。该技术已成功应用到深海冷泉细菌E. flavus 21-3硫代谢过程的原位监测。基于拉曼三维成像进行体积计算和比率分析,对不同环境下的菌落生长和代谢进行了量化,发现了生长和代谢方面不为人知的细节,为厘清深海冷泉生物群落中广泛分布的硫单质成因提供了重要技术支持。据我们所知,这是首次尝试长期监测菌落在固体培养基中生长的原位无损技术。我们能够快速确定代谢产物,推断反应发生的途径,并快速筛选产硫细菌。由于这一成果的应用,不仅证明了该方法在未来对微生物原位过程的可视化及定量分析的潜力,也为研究深海中附着在岩石沉积物等固体表面上的微生物提供了新的思路。 中国科学院海洋所博士研究生何婉莹、蔡瑞宁为文章共同第一作者,研究员张鑫、孙超岷为文章通讯作者,正高级工程师栾振东、副研究员杜增丰、博士席世川、硕士研究生殷子钰为文章共同作者。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院A类战略性先导专项、中国科学院海洋大科学研究中心重点部署项目、泰山青年学者计划等项目联合资助,以及WITec公司吴望华博士和胡海龙博士的支持。    相关成果如下:    Wanying He; Ruining Cai; Shichuan Xi; Ziyu Yin; Zengfeng Du; Zhendong Luan; Chaomin Sun*, Xin Zhang*. Study of microbial sulfur metabolism in a near real-time pathway through confocal Raman quantitative 3D imaging[J]. Microbiology Spectrum, 2023, IF= 9.043. 论文DOI: 10.1128/spectrum.03678-22 Jing Zhang; Rui Liu; Shichuan Xi; Ruining Cai; Xin Zhang, Chaomin Sun*. A novel bacterial thiosulfate oxidation pathway provides a new clue about the formation of zero-valent sulfur in deep sea[J]. The ISME Journal, 2020,14(9):2261-2274. 论文DOI: 10.1038/s41396-020-0684-5 Ruining Cai; Wanying He; Rui Liu; Jing Zhang; Xin Zhang, Chaomin Sun*. Deep-sea in situ insights into the formation of zero-valent sulfur driven by a bacterial thiosulfate oxidation pathway[J]. mBio, 2022,13(4):e14322. 论文DOI: 10.1128/mbio.00143-22