DNA编程调控微生物群落组装：实现可控模式与动态行为的合成生物学新策略

推荐：研究人员针对微生物群落组装缺乏特异性调控工具的问题，利用功能DNA（functional DNA）作为可编程表面受体，通过代谢标记（Glc-N3 ）和疏水插入技术，在革兰氏阴性菌（G?）、革兰氏阳性菌（G+）及芽孢表面实现DNA修饰，构建了具有核心-壳结构（core-shell）、选择性簇等复杂形态的微生物聚集体，并实现了ATP、寡核苷酸诱导的动态组装。该研究为合成生物学和活体材料开发提供了新范式。

　　

微生物在自然界中常以多细胞群落形式存在，这种组织形式能增强环境适应力并产生单细胞无法实现的生物功能。然而，现有化学方法（如缩合反应、超分子作用）缺乏特异性，而基因工程策略（如纳米抗体展示）依赖工程菌且难以响应生物刺激。如何实现微生物群落的高精度空间控制和动态调控，成为合成生物学和医学应用的瓶颈。

针对这一挑战，中国的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表成果，提出以功能DNA作为“分子胶水”编程微生物相互作用。通过代谢标记将二苯并环辛炔（DBCO）修饰的DNA共价锚定于大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）表面，利用胆固醇疏水插入法修饰链霉菌（S. coelicolor）芽孢，构建了具有正交结合模式的微生物界面。研究结合流式细胞术、共聚焦显微镜和库尔特计数器分析，证实DNA介导的微生物聚集体可达数千平方微米，厚度超20 μm。

关键方法

1. 代谢标记优化：筛选β-d-吡喃葡萄糖叠氮（Glc-N₃
   ）作为最佳标记底物（8小时/1 mM）；
2. 多组分组装设计：通过正交DNA序列（如A/B/S）实现双组分（core-shell）和三组分（选择性簇）空间排布；
3. 刺激响应模块：集成链置换（toehold 6-nt）、三链体（reverse-Hoogsteen）和ATP适体实现外源诱导组装。

研究结果
Attachment of functional DNA strands onto microorganism surfaces
通过流式细胞术量化显示，DNA修饰使大肠杆菌和金黄色葡萄球菌荧光强度分别提升6倍和20倍，芽孢修饰效率达8倍。互补DNA介导的微生物聚集体面积达4000 μm²
，而对照组保持单分散状态。

DNA-programmed assembly of heterotypic multicellular communities structures
设计自互补序列S和异源序列A/B，构建了三种模式：均质簇（红绿E. coli交替排列）、核壳结构（R-core/G-shell）和异质簇（相邻微菌落）。径向荧光分析显示核壳结构中核心信号强度从中心到边缘递减50%。

DNA-mediated stimuli-responsive assembly of multicellular clusters
引入ATP适体时，85%的E. coli在250 μm²
区域内聚集；而三链体设计使72%细胞在120 μm²
内响应寡核苷酸激活，证实时空可控性。

Biofunctions of DNA-mediated microorganism communities
DNA组装使生物膜形成增强34%（P<0.05），红霉素处理下组装菌抑制率提升1.8倍，群体感应信号mVenus荧光强度较分散菌高2.3倍，证实结构-功能关联性。

讨论与意义
该研究首次将DNA纳米技术拓展至活微生物界面调控，突破了传统方法在正交性和动态响应方面的局限。尽管细胞分裂导致的DNA稀释问题仍需解决，但该策略为合成生物学提供了新工具：例如可编程布局产酸菌与耐酸菌群落优化生物制造，或设计CsgA纤维梯度分布的智能生物膜。这种“活材料”平台有望推动环境修复、生物催化等领域的革新。