将工程微生物菌群（EMC）封装在水凝胶中，形成“活材料”。水凝胶封装EMC有很多优点，第一，水凝胶可以提供EMC生存所必需的水分；第二，水凝胶可以避免表皮环境对EMC的潜在抑制作用；最后，水凝胶阻止了工程细菌逃逸到环境中。转基因工程微生物被封装在水凝胶中，用作治疗皮肤病的“活材料”。然而，它们的应用往往受到表皮干燥、营养不良环境的限制，不能在预期的足够时间内稳定地维持功能。
为了解决这个问题，天津大学王汉杰教授、孙韬和刘夺副研究员设计和制备了一种包含“工程微生物菌群”的光自养“活材料” 。该工程微生物菌群包括通过光合作用产生蔗糖的长联球菌(PCC7942)和另一种可以利用蔗糖生长和分泌功能生物分子的异养工程细菌(大肠杆菌或乳酸乳球菌)。这些“活材料”中的工程微生物被证明比单个微生物稳定地工作更长的时间。随后，利用CXCL12分泌的工程乳酸乳杆菌构建了“活材料”，并在全层大鼠皮肤缺损模型中验证了其促进创面愈合的作用。本研究的水凝胶包封工程微生物组(HeEMC)治疗的伤口愈合更快，第14天伤口面积比仅为13.2%，而对照组、PEGDA组和PEGDA/CS组的伤口面积比分别为62.6、51.4和40.8%。 本研究建立了一种高效的生命材料HeEMC，在治疗皮肤病方面具有广阔的应用前景。相关研究成果Hydrogel encapsulated engineered microbial consortium as photoautotrophic “living material” for promoting skin wound healing发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。
在本研究中，利用合成生物学技术构建了一种包含两种工程菌的“工程微生物菌群”，并通过水凝胶对菌群进行包裹，菌群中自养的工程聚球藻PCC 7942能够分泌蔗糖，其中的另一种异养工程菌能够利用蔗糖作为碳源并持久发挥治疗功能。研究证明了蔗糖分泌工程拉长链球菌能够在EMC中支持常用微生物基质(乳酸乳球菌和大肠杆菌)的生长。随后，基于这些微生物的选择，设计并构建了水凝胶包封的工程微生物群落(HeEMC)。HeEMC主要由三部分组成：作为“能源”的经工程改造的聚球藻；能够分泌趋化因子 (LL-CXCL12)促进伤口愈合的工程乳酸乳杆菌；PEGDA/CS水凝胶作为HeEMC的基质。其中乳酸乳杆菌是一种无毒、无创的益生菌，已广泛应用于食品和药品的制备此外，水凝胶成分(包括海藻酸钠、壳聚糖、PEGDA和光引发剂I-2959)已获得FDA批准。因此，所构建的生物材料具有良好的生物安全性。为了测试这种HeEMC活性材料的性能，采用皮肤伤口模型来验证其促进伤口愈合的功效。相信HeEMC不仅可以用于促进皮肤伤口的愈合，还可以为建立各种应用的生命材料的模块化组成提供一个通用平台。
对于这项工作，构建的工程微生物联盟相对简单，仅由两个工程微生物组成。一个健壮的工程微生物群落应该包含各种工程微生物，并能够执行更多样化的功能。研究中选择的工程微生物是更常用的微生物，但可能不是最适合应用于皮肤的微生物。应该尝试和讨论更多的微生物种类。这样的工程微生物群落可以在未来开发。虽然本研究只探讨了促进皮肤伤口愈合，但光自养“活材料”实际上是一种使皮肤工程细菌更好地发挥功能的通用应用策略。通过在“活材料”中添加不同功能的皮肤工程细菌，它有望发挥更多功能，包括滋养皮肤或抵御环境中的病原体。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20399