首个嗜热噬菌体展示系统的构建及其在生物技术与纳米材料中的应用研究

研究人员针对传统噬菌体展示系统在膜结合肽展示、蛋白聚集及宿主限制等方面的缺陷，成功构建了首个基于TP-84噬菌体/Geobacillus stearothermophilus宿主对的嗜热噬菌体展示系统。该系统通过"亲和偶联"功能化生物纳米颗粒技术，实现了大分子蛋白与非蛋白配体的高效展示，为生物材料开发与高温环境应用提供了创新平台。

　　

噬菌体展示技术自诞生以来已成为生物医学领域的革命性工具，但现有系统存在三大致命缺陷：无法展示易聚集或膜结合的多肽、中温宿主易污染、衣壳修饰容错率低。这些问题严重限制了在高温工业环境、抗聚集蛋白筛选等特殊场景的应用。传统系统如M13噬菌体因慢性感染模式会丢失膜结合肽，而大肠杆菌宿主中蛋白聚集问题导致30%以上的潜在功能肽无法被有效展示。更棘手的是，现有系统的衣壳蛋白修饰可能破坏病毒组装，且基因组容量限制了展示分子的大小。

针对这些行业痛点，波兰国家研究中心资助的研究团队另辟蹊径，选择嗜热噬菌体TP-84作为突破口。这种感染Geobacillus stearothermophilus的烈性噬菌体具有三大天然优势：73^o
C的高温增殖能力、47.7 kb的大基因组容量、以及裂解周期带来的宿主细胞破壁特性。相关成果以封面文章形式发表于《Materials Today Bio》，构建了全球首个高温噬菌体展示平台。

研究团队创新性地开发了四项关键技术：基于Gibson组装的合成基因组重构技术、嗜热菌原生质体转染体系、"马赛克"衣壳蛋白双表达系统，以及首创的"亲和偶联"展示策略。其中原生质体制备方案经过关键优化，通过精确控制OD600=1.3的生长阶段和PEG4000介导的转染，将效率提升300倍。样本来源于Piotr Skowron实验室保藏的TP-84噬菌体及G. stearothermophilus 10 (StrR)宿主菌株。

【单基因修饰重组TP-84噬菌体】
通过SpeI/BssSI-v2限制性克隆和Gibson组装，成功构建9种单基因修饰变体。TP84_12C-3xFLAG在衣壳蛋白C端引入三重FLAG标签，免疫印迹证实其表面暴露；TP84_39N_sfGFP将超折叠绿色荧光蛋白(sfGFP)基因与TP84_39形成多顺反子结构，荧光检测验证了高温下的蛋白稳定性。

【双/三基因修饰重组体】
"弗兰肯斯坦"TP84_8N-SH_12C-HS_23N-SH变体同时展示三种修饰蛋白：N端带His-S标签的次要衣壳蛋白(80.7 kDa)、C端修饰的主要衣壳蛋白(40.5 kDa)和尾管蛋白(102 kDa)。Ni²⁺
-IMAC捕获实验显示，三修饰噬菌体仍保持1.2×10¹¹
PFU/mL的滴度，证明多重修饰不影响病毒组装。

【基因复制表达系统】
TP84_12C_12Copt-HS采用密码子优化策略，使野生型(37.8 kDa)与修饰型(40.5 kDa)衣壳蛋白以1:1比例共表达。这是首个嗜热噬菌体基因表达系统，为毒性蛋白生产提供新思路——当替换TP84_12opt拷贝时，重组蛋白表达量可超过病毒蛋白总量的50%。

【功能化生物纳米颗粒】
突破性的"亲和偶联"技术利用亮氨酸拉链异源二聚体(CZ-prey/NZ-bait)，将sfGFP共价偶联至噬菌体表面。CsCl密度梯度离心证实，形成的复合物能耐受2.4 M高盐环境。更惊人的是，该技术理论上可展示任意大小的分子，包括非蛋白类配体如多糖和有机药物。

这项研究从根本上突破了噬菌体展示技术的三大瓶颈：高温培养(55-65^o
C)彻底解决蛋白聚集问题；裂解周期避免膜肽丢失；"马赛克"衣壳设计使修饰容错率提升5倍。与M13系统相比，TP-84展示膜结合肽的成功率从不足20%提升至92%。更具颠覆性的是"亲和偶联"技术，它首次实现了噬菌体基因组与展示分子大小的解耦，为纳米药物递送和环境修复开辟新途径。

不过该系统仍需完善，特别是G. stearothermophilus的遗传工具匮乏和体外包装系统缺失。研究团队透露，正在开发基于CRISPR的宿主基因组编辑工具，预计将使克隆效率再提升10倍。正如评审专家所言："这项工作不仅是一个新工具的诞生，更代表着噬菌体展示技术从常温走向高温应用的范式转移。"