XMU-China团队2023年iGEM课题介绍

大家好！ 这里是XMU-China。 经过前期的文献调研与头脑风暴，我们团队今年的课题终于可以揭开面纱，跟大家见面啦！

今年，我们期望使用合成生物学的方法缓解土壤冻胀和干旱对农作物的危害，而冻害与干旱都与水——特别是淡水，关系密切。因此，我们选择希腊神话中掌管淡水的女神 "Naiads" 作为课题名，意为 Novel anti-icing and anti-drought solutions。

课题背景 01.

种植业是大多数国家的重要经济支柱，农作物的种植需要依赖土壤为其提供水分、养分，因此土壤的性质对农作物的产量和品质等方面有着直接的影响。而土壤冻胀会改变土壤的紧实度、盐碱度以及营养物质含量等性质，影响农作物的生长；土壤干旱则无法满足农作物生长对水的需求，导致农作物大量减产。

目前，对于防冻，主要使用搭建大棚、释放烟雾、施加防冻剂等方法。

图1：现有防冻措施  

对于抗旱，则主要采用兴建水利、栽种抗旱作物等方式。但是，当前尚无经济成本低、高效、持久、环保且及时的应对土壤冻胀和干旱的措施。

图2：现有抗旱措施  

因此，我们希望通过Naiads实现对土壤冻胀和干旱的提前响应和及时应对，以缓解土壤冻胀和干旱对农作物的危害。

课题设计 02.

抗冻蛋白，作为一种可以延缓冰结晶过程的蛋白，是我们应对土壤冻胀的基础。我们选择利用工程菌生产抗冻蛋白SfIBP和TmAFP，其中SfIBP具有良好的抑制冰重结晶的能力_[1]， TmAFP具有更为优异的热滞后能力_[2]，二者搭配使用能够最为有效地利用其特性延缓土壤冻胀的进程。同时，我们利用信号肽将抗冻蛋白分泌到体外，使得其在土壤中发挥作用，缓解土壤冻胀对农作物的危害。

图3：两种抗冻蛋白  

其次，由于土壤冻胀常常由低温引起，因此我们选择以CspA mRNA为基础的低温响应机制，在低温条件下 (15 ℃) 正常表达其中的蛋白，而高于这个温度时则会隐藏核糖体结合位点使蛋白表达无法进行_[3]。利用该机制，我们的工程菌能够主动感知低温条件，进而产生抗冻蛋白。

图4：CspA mRNA 原理图

对于土壤干旱问题，我们选择利用工程菌生产保水剂来提高土壤的保水性。我们计划使用细菌纤维素 (Bacterial Cellulose, BC) 和透明质酸 (Hyaluronic Acid, HA) 作为一种新型保水剂。细菌纤维素 (BC) 具有良好的保水性和优异的生物相容性。透明质酸 (HA) 已被广泛用作最好的保湿物质之一_[4]。

为了高效地得到相应产物，我们设计了基于共培养系统的生物工厂，包括共培养室、生产室和制备室等_[5]。

图5： 共培养生物工厂概览  

共培养室含有一个用于供氧的空气管道和一个用于混合两种共培养菌液的搅拌器。其中，大肠杆菌Nissle 1917和BL21(DE3)将分别负责BC和HA的生产。为了量化并调节两种菌的比例，我们将荧光蛋白RFP和GFP分别引入到两种细菌中。只有当两种菌的密度符合最佳生产比时，才能生产出高质量的复合保水剂。

当需要生产保水剂时，菌液将被转移到生产腔室进行诱导表达。接下来，通过过滤器分离产品，并将它们倒入相邻的制备室。通过灌溉水的引入，保水剂溶液将由底部的管道排出。

 以上就是XMU-China 2023的课题内容啦，感谢大家长期以来的关注与支持，欢迎大家一起交流讨论！

参考文献：

[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).