Accounts of Materials Research封面文章 | 编程设计细菌生物被膜发展工程活材料

近日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员钟超团队在国际知名学术期刊Accounts of Materials Research在线发表特邀综述文章“Programmable Bacterial Biofilms as Engineered Living Materials”。文章讨论了基于细菌生物被膜的新兴工程活材料领域重要进展,并对该类材料的未来发展及挑战应对提出新的观点和思考。此外本工作入选Accounts of Materials Research杂志内页封面文章。

 

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文章上线截图

文章链接: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/accountsmr.3c00271

 

为适应动荡的生存环境,细菌等微生物通常会分泌基于蛋白纤维(如大肠杆菌curli纤维)或多糖(如醋酸杆菌的细菌纤维素)的胞外基质将其包裹,形成一种非游离状态的细菌-胞外基质聚合体,称为生物被膜。细菌生物被膜展现出的极高的稳定性、抗逆性以及组分功能的可编程性,在合成生物学与材料科学的交汇处,细菌生物被膜正被作为一种经济便捷的设计平台,创造能够重现自然材料“生命”动态属性的工程化活材料(ELMs)。目前开发的活性生物被膜材料在建筑、医疗、能源和环境等领域均展现出广阔应用前景(图1)。


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图1 配图入选Accounts of Materials Research杂志内页封面(画师:尹中川)

 

在这篇文章中,作者们凝练了天然生物材料的6大活体动态特征:自生长、自组装、自修复、环境适应、自我重塑以及可进化。以这些特征作为自然仿生程度的评价标准,目前开发的生物被膜活材料可划分为三大类别:1)自组装活材料,2)环境响应型活材料以及3)活体复合材料(图2)。自组装活材料主要利用细菌所分泌的可自组装的蛋白或多糖类胞外基质,通过基因改造其单体组分定制生物被膜的功能。比如将病毒粘附多肽C5与curli蛋白重组,编程设计的生物被膜具备了在水溶液中吸附并清除流感病毒的生物功能。环境响应型活材料是指在微生物遗传物质中引入人工设计的传感线路,从而赋予生物被膜材料动态响应外部环境变化的能力。例如编码可感知血液或硫代硫酸盐传感线路的益生菌活材料可应用于在肠道精准定位炎症病灶并主动发挥止血消炎作用。活体复合材料则是将基因改造的生物被膜与非活性或人工合成物质结合,融合生物被膜的活体特征和合成材料的优异特性。典型的应用包括杂合无机半导体颗粒的生物被膜用于光合固碳或产氢以及利用可生物矿化的工程生物被膜批量生产环保砖等可持续应用。

 

图2 基于细菌生物被膜的三类工程活材料:①自组装活材料;②环境响应型活材料;③活体复合材料。.png 

图2 基于细菌生物被膜的三类工程活材料:①自组装活材料;②环境响应型活材料;③活体复合材料

 

结构与功能从简单到复杂,自组装活材料、环境响应型活材料以及活体复合材料三类材料的发展循序渐进、逐级过渡:自组装活材料是基础,其保留了生物被膜自生长、自组装和自修复的活体特征;进一步基因传感线路的整合,诞生的响应型活材料则具备感知与响应特定外部环境信号的能力;活体复合材料则是在前两类材料基础上,结合非活性功能成分,增强活材料的重塑性并拓宽材料的应用范围。文章详细介绍了这三类基于生物被膜的活材料,突出了它们各自的设计策略和重要应用。此外,针对基于生物被膜活材料的应用挑战,文章对如何进一步提升材料性能以及如何促使活材料实现现实世界应用提出新的见解。

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员钟超与副研究员安柏霖为本文的共同通讯作者。副研究员王艳怡以及博士后张倩为共同第一作者,科研助理葛昌浩、刘雨竹,上海科技大学教授郑宜君、博士后蒋晓宇、硕士研究生陈邵杰以及哈佛大学Wyss研究所博后研究员唐子杰等对本文撰写也做出重要贡献。工作获得了包括国家重点研发计划、国家杰出青年自然科学基金、国家自然科学基金联合项目、深圳市材料合成生物学重点实验室等项目的支持。