XMU-China團隊2023年iGEM課題介紹

大家好！ 這裏是XMU-China。 經過前期的文獻調研與(yu) 頭腦風暴，我們(men) 團隊今年的課題終於(yu) 可以揭開麵紗，跟大家見麵啦！

今年，我們(men) 期望使用合成生物學的方法緩解土壤凍脹和幹旱對農(nong) 作物的危害，而凍害與(yu) 幹旱都與(yu) 水——特別是淡水，關(guan) 係密切。因此，我們(men) 選擇希臘神話中掌管淡水的女神 "Naiads" 作為(wei) 課題名，意為(wei) Novel anti-icing and anti-drought solutions。

課題背景 01.

種植業(ye) 是大多數國家的重要經濟支柱，農(nong) 作物的種植需要依賴土壤為(wei) 其提供水分、養(yang) 分，因此土壤的性質對農(nong) 作物的產(chan) 量和品質等方麵有著直接的影響。而土壤凍脹會(hui) 改變土壤的緊實度、鹽堿度以及營養(yang) 物質含量等性質，影響農(nong) 作物的生長；土壤幹旱則無法滿足農(nong) 作物生長對水的需求，導致農(nong) 作物大量減產(chan) 。

目前，對於(yu) 防凍，主要使用搭建大棚、釋放煙霧、施加防凍劑等方法。

圖1：現有防凍措施  

對於(yu) 抗旱，則主要采用興(xing) 建水利、栽種抗旱作物等方式。但是，當前尚無經濟成本低、高效、持久、環保且及時的應對土壤凍脹和幹旱的措施。

圖2：現有抗旱措施  

因此，我們(men) 希望通過Naiads實現對土壤凍脹和幹旱的提前響應和及時應對，以緩解土壤凍脹和幹旱對農(nong) 作物的危害。

課題設計 02.

抗凍蛋白，作為(wei) 一種可以延緩冰結晶過程的蛋白，是我們(men) 應對土壤凍脹的基礎。我們(men) 選擇利用工程菌生產(chan) 抗凍蛋白SfIBP和TmAFP，其中SfIBP具有良好的抑製冰重結晶的能力_[1]， TmAFP具有更為(wei) 優(you) 異的熱滯後能力_[2]，二者搭配使用能夠最為(wei) 有效地利用其特性延緩土壤凍脹的進程。同時，我們(men) 利用信號肽將抗凍蛋白分泌到體(ti) 外，使得其在土壤中發揮作用，緩解土壤凍脹對農(nong) 作物的危害。

圖3：兩(liang) 種抗凍蛋白  

其次，由於(yu) 土壤凍脹常常由低溫引起，因此我們(men) 選擇以CspA mRNA為(wei) 基礎的低溫響應機製，在低溫條件下 (15 ℃) 正常表達其中的蛋白，而高於(yu) 這個(ge) 溫度時則會(hui) 隱藏核糖體(ti) 結合位點使蛋白表達無法進行_[3]。利用該機製，我們(men) 的工程菌能夠主動感知低溫條件，進而產(chan) 生抗凍蛋白。

圖4：CspA mRNA 原理圖

對於(yu) 土壤幹旱問題，我們(men) 選擇利用工程菌生產(chan) 保水劑來提高土壤的保水性。我們(men) 計劃使用細菌纖維素 (Bacterial Cellulose, BC) 和透明質酸 (Hyaluronic Acid, HA) 作為(wei) 一種新型保水劑。細菌纖維素 (BC) 具有良好的保水性和優(you) 異的生物相容性。透明質酸 (HA) 已被廣泛用作最好的保濕物質之一_[4]。

為(wei) 了高效地得到相應產(chan) 物，我們(men) 設計了基於(yu) 共培養(yang) 係統的生物工廠，包括共培養(yang) 室、生產(chan) 室和製備室等_[5]。

圖5： 共培養(yang) 生物工廠概覽  

共培養(yang) 室含有一個(ge) 用於(yu) 供氧的空氣管道和一個(ge) 用於(yu) 混合兩(liang) 種共培養(yang) 菌液的攪拌器。其中，大腸杆菌Nissle 1917和BL21(DE3)將分別負責BC和HA的生產(chan) 。為(wei) 了量化並調節兩(liang) 種菌的比例，我們(men) 將熒光蛋白RFP和GFP分別引入到兩(liang) 種細菌中。隻有當兩(liang) 種菌的密度符合最佳生產(chan) 比時，才能生產(chan) 出高質量的複合保水劑。

當需要生產(chan) 保水劑時，菌液將被轉移到生產(chan) 腔室進行誘導表達。接下來，通過過濾器分離產(chan) 品，並將它們(men) 倒入相鄰的製備室。通過灌溉水的引入，保水劑溶液將由底部的管道排出。

 以上就是XMU-China 2023的課題內(nei) 容啦，感謝大家長期以來的關(guan) 注與(yu) 支持，歡迎大家一起交流討論！

參考文獻：

[1] T. D. R. Vance, L. A. Graham, P. L. Davies, An ice-binding and tandem beta-sandwich domain-containing protein in Shewanella frigidimarina is a potential new type of ice adhesin. Febs Journal 285, 1511-1527 (2018).

[2] U. S. Midya, S. Bandyopadhyay, Elucidating the Sluggish Water Dynamics at the Ice-Binding Surface of the Hyperactive Tenebrio molitor Antifreeze Protein. Journal of Physical Chemistry B 127, 121-132 (2023).

[3] A. M. Giuliodori et al., Escherichia coli CspA stimulates translation in the cold of its own mRNA by promoting ribosome progression. Frontiers in Microbiology 14,  (2023).

[4] K. Liu, J. M. Catchmark, Bacterial cellulose/hyaluronic acid nanocomposites production through co-culturing Gluconacetobacter hansenii and Lactococcus lactis under different initial pH values of fermentation media. Cellulose 27, 2529-2540 (2020).

[5] N. H. Thuan, A. K. Chaudhary, D. Van Cuong, N. X. Cuong, Engineering co-culture system for production of apigetrin in Escherichia coli. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology 45, 175-185 (2018).