6月15日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所鐘超團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Accounts of Materials Research上，在線發(fā)表了特邀綜述文章“Programmable Bacterial Biofilms as Engineered Living Materials”，并入選Accounts of Materials Research雜志內(nèi)頁(yè)封面文章。
文章上線截圖
文章討論了基于細(xì)菌生物被膜的新興工程活材料領(lǐng)域重要進(jìn)展，并對(duì)該類材料的未來(lái)發(fā)展及挑戰(zhàn)應(yīng)對(duì)提出新的觀點(diǎn)和思考。
為適應(yīng)動(dòng)蕩的生存環(huán)境，細(xì)菌等微生物通常會(huì)分泌基于蛋白纖維（如大腸桿菌curli纖維）或多糖（如醋酸桿菌的細(xì)菌纖維素）的胞外基質(zhì)將其包裹，形成一種非游離狀態(tài)的細(xì)菌-胞外基質(zhì)聚合體，稱為生物被膜。細(xì)菌生物被膜展現(xiàn)出的極高的穩(wěn)定性、抗逆性以及組分功能的可編程性，在合成生物學(xué)與材料科學(xué)的交匯處，細(xì)菌生物被膜正被作為一種經(jīng)濟(jì)便捷的設(shè)計(jì)平臺(tái)，創(chuàng)造能夠重現(xiàn)自然材料“生命”動(dòng)態(tài)屬性的工程化活材料（ELMs）。目前開(kāi)發(fā)的活性生物被膜材料在建筑、醫(yī)療、能源和環(huán)境等領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景（圖1）。
圖1 配圖入選Accounts of Materials Research雜志內(nèi)頁(yè)封面（畫(huà)師：尹中川）
在這篇文章中，作者們凝練了天然生物材料的6大活體動(dòng)態(tài)特征：自生長(zhǎng)、自組裝、自修復(fù)、環(huán)境適應(yīng)、自我重塑以及可進(jìn)化。以這些特征作為自然仿生程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前開(kāi)發(fā)的生物被膜活材料可劃分為三大類別：自組裝活材料、環(huán)境響應(yīng)型活材料，以及活體復(fù)合材料（圖2）。自組裝活材料主要利用細(xì)菌所分泌的可自組裝的蛋白或多糖類胞外基質(zhì)，通過(guò)基因改造其單體組分定制生物被膜的功能。比如將病毒粘附多肽C5與curli蛋白重組，編程設(shè)計(jì)的生物被膜具備了在水溶液中吸附并清除流感病毒的生物功能。
環(huán)境響應(yīng)型活材料是指在微生物遺傳物質(zhì)中引入人工設(shè)計(jì)的傳感線路，從而賦予生物被膜材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)外部環(huán)境變化的能力。例如編碼可感知血液或硫代硫酸鹽傳感線路的益生菌活材料可應(yīng)用于在腸道精準(zhǔn)定位炎癥病灶并主動(dòng)發(fā)揮止血消炎作用。活體復(fù)合材料則是將基因改造的生物被膜與非活性或人工合成物質(zhì)結(jié)合，融合生物被膜的活體特征和合成材料的優(yōu)異特性。典型的應(yīng)用包括雜合無(wú)機(jī)半導(dǎo)體顆粒的生物被膜用于光合固碳或產(chǎn)氫以及利用可生物礦化的工程生物被膜批量生產(chǎn)環(huán)保磚等可持續(xù)應(yīng)用。
圖2 基于細(xì)菌生物被膜的三類工程活材料：①自組裝活材料；②環(huán)境響應(yīng)型活材料；③活體復(fù)合材料
結(jié)構(gòu)與功能從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，自組裝活材料、環(huán)境響應(yīng)型活材料，以及活體復(fù)合材料三類材料的發(fā)展循序漸進(jìn)、逐級(jí)過(guò)渡：自組裝活材料是基礎(chǔ)，其保留了生物被膜自生長(zhǎng)、自組裝和自修復(fù)的活體特征；進(jìn)一步基因傳感線路的整合，誕生的響應(yīng)型活材料則具備感知與響應(yīng)特定外部環(huán)境信號(hào)的能力；活體復(fù)合材料則是在前兩類材料基礎(chǔ)上，結(jié)合非活性功能成分，增強(qiáng)活材料的重塑性并拓寬材料的應(yīng)用范圍。
文章詳細(xì)介紹了這三類基于生物被膜的活材料，突出了它們各自的設(shè)計(jì)策略和重要應(yīng)用。此外，針對(duì)基于生物被膜活材料的應(yīng)用挑戰(zhàn)，文章對(duì)如何進(jìn)一步提升材料性能以及如何促使活材料實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用提出新的見(jiàn)解。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所鐘超研究員與安柏霖副研究員為共同通訊作者，王艷怡副研究員及博士后張倩為共同第一作者。科研助理葛昌浩、劉雨竹，上海科技大學(xué)教授鄭宜君、博士后蔣曉宇、碩士研究生陳邵杰，以及哈佛大學(xué)Wyss研究所博后唐子杰等對(duì)本文撰寫(xiě)也做出重要貢獻(xiàn)。該工作獲得了包括國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合項(xiàng)目、深圳市材料合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。
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