活体细胞/微生物的包埋作为一种重要的策略，广泛应用于生物医疗、生物催化、环境修复、智能材料和工业生产等领域。然而，迄今为止所报道的包埋材料均为亲水性材料。这是因为亲水性包埋材料，尤其是水凝胶等材料制备方法成熟且生物相容性突出；而疏水性包埋材料研究较少。

在地球上广泛存在着一类油性微生物（Oleaginous microorganisms），它们因为可利用疏水物质而在各种领域受到广泛关注。若能将亲油性微生物包埋在疏水材料中，不仅可提升微生物的稳定性、重复利用性、可操作性等，还可实现复杂结构化学品混菌发酵中的碳源利用正交化（将油性微生物限制在油相环境中，避免与其它水相微生物竞争水溶性碳源）。有机胶作为一类具有三维聚合物网络的新型疏水、亲油性材料，有潜力用于包埋油性微生物。但是，由于其制备过程通常需使用有毒的有机溶剂与成胶剂以及高温等苛刻条件，高生物相容性的有机胶包埋材料的设计与制备仍具有挑战性。

近日，天津大学化工学院张雷教授团队与肖文海副教授合作，受自然界中油性酵母“食用”烷烃的启发，认为甲基丙烯酸化烷烃类单体可作为无毒前驱体，用于开发可包埋油性酵母（解脂耶氏酵母，Yarrowia lipolytica）的生物相容性有机胶。在本工作中，他们基于此类单体，利用一种温和的光聚合法，首次实现了疏水有机胶对解脂耶氏酵母的成功包埋（图1）。该方法仅需模拟日光作为光源，同时因为反应物均为液态，无需使用任何有机溶剂。

图1 疏水有机胶的设计与制备

该团队所开发的有机胶具备显著的疏水性、亲油性，可长期停留于油相环境中且可保障疏水分子的自由扩散，从而有利于所包埋的油性微生物生存和发挥功能（图2）。另外，与红细胞或纤维原细胞孵育后，该有机胶展现出良好的生物相容性。

图2 有机胶的疏水、亲油性

为探究有机胶是否适用于包埋油性酵母，作者使用100%的有机胶前驱体对酵母进行浸泡处理，或使有机胶前驱体与酵母共培养，均未显著影响解脂耶氏酵母的生长与形貌，证明了甲基丙烯酸化烷烃类有机胶前驱体具备优异的相容性。因此，有机胶包埋的解脂耶氏酵母，不仅具有高存活率，而且具有高代谢活性（图3）。

图3 有机胶包埋的解脂耶氏酵母具备高存活率和代谢活性

 活体细胞、微生物等在深低温环境中可处于“休眠状态”，因此深低温冻存常用于生物样本的长期保存。但是，冷冻-融化过程中的低温损伤对于活体细胞和微生物十分致命。在本文中，作者还利用有机胶超低温冻存保护油性酵母。结果表明，在-80℃和-196℃下冻存后的油性酵母存活率显著高于对照组，证明有机胶可保护酵母免受冷冻损伤，有望实现酵母的长期超低温冻存（图4）。

另外，作者发现通过调控烷烃单体的烷烃链长度，不同的有机胶具备不同的温敏相变行为或不具备相变行为。基于这一特性，可利用不同组合的有机胶搭建微生物菌种的加密平台，仅通过4℃处理2min，便可实现目标菌种的快速解密（图4）。进一步地，作者证明了这一基于有机胶的加密平台可用于DNA数据存储的加密/解密。

图4 基于有机胶的深低温冻存及菌种加密平台

这一成果近期发表在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society（《美国化学会志》）上，文章的第一作者是天津大学化工学院博士研究生张相宇、王鹤蓉和助理研究员李庆斯。通讯作者是天津大学化工学院张雷教授和肖文海副教授。

论文信息：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c00847

Development of Organogels for Live Yarrowia lipolytica Encapsulation

Xiangyu Zhang#, Herong Wang#, Qingsi Li#, Zhaoxu Yin, Haishan Qi, Jing Yang, Xiaodong Wang, Wenhai Xiao*, and Lei Zhang*

J. Am. Chem. Soc. 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c00847

通讯作者简介

张雷教授现任天津大学化工学院生物化工系教授，系主任，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。主要研究方向包括生物化工与合成生物学、低温保护、功能材料、海洋涂料等。在包括Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, AIChE Journal, CES, Research, Engineering等期刊发表论文100多篇。

肖文海，天津大学化工学院副教授，博士生导师。绿色生物制造重点专项“原料药工业菌种改造关键技术及产业示范”项目课题负责人。主要研究方向是基于合成生物学技术和代谢工程技术高效构建萜烯类酵母细胞工厂，已在Biotechnology Advances, Metabolic Engineering，Microbial Cell Factories，Current Opinion in Biotechnology等国际知名刊物发表第一作者/通讯作者SCI论文30多篇，成果被Nature Chemistry，Nature Communications等高度评价。

参考资料：http://chemeng.tju.edu.cn/cn/news;jsessionid=6FA4021F80B1FD78FF12C2EB09C496FD?type=detail&id=3901