Nature子刊：可編程可3D打印的生物被膜活體功能材料

　　上海科技大學物質學院鐘超教授課題組在開發活體功能材料方面取得了重要進展。北京時間2018年12月4日，相關成果以“Programmable and printable Bacillus subtilisbiofilms as engineered living materials”為題，在國際著名學術期刊《Nature Chemical Biology》（自然·化學生物學）在線發表。

　　細菌生物被膜通常由細菌及其胞外分泌物質（如蛋白質、多糖、DNA）組成。近年來，基于大腸桿菌的可編程生物被膜被當成一種具有活體特征的功能材料（living functional materials）來應用，表現出很多傳統材料不具備的性能，如可基因編程、多功能、環境響應、自適應性以及可進化等特征。鐘超課題組前期已證明，光感應細菌生物被膜可應用于動態自組裝材料領域，能將溶液中懸浮的無機納米顆粒按預先設定的方式有序地組裝無機納米顆粒和相應的電子裝置（http://www.shanghaitech.edu.cn/2018/0425/c1001a22039/page.htm）。然而，由于大腸桿菌自身的蛋白分泌能力不足以及潛在的安全性等問題，基于大腸桿菌生物被膜活體功能材料的開發和應用受到了嚴重限制。

　　針對當前大腸桿菌生物被膜活體材料存在的潛在問題，研究人員在這項研究中理性選擇了枯草芽孢桿菌作為工程改造對象。枯草芽孢桿菌是一種革蘭氏陽性菌，只有一層細胞壁，因其強大的分泌能力在食品和制藥工業中被廣泛采用，同時這種細菌也是一種被FDA認為安全的菌種，因此理論上其蛋白分泌能力和安全性要比一般的大腸桿菌優越不少。研究人員利用合成生物學和材料科學交叉手段，首次成功搭建和表征了基于枯草芽孢桿菌TasA淀粉樣蛋白的活體生物被膜材料。

　　研究團隊首先采用基因工程手段將不同功能的蛋白或結構域通過TasA融合表達并分泌，驗證了融合不同結構域的TasA淀粉樣蛋白都可以被表達、胞外分泌并在細菌周邊自組裝形成具有不同功能的胞外納米纖維。為了證明這個活體材料平臺的應用前景，研究人員將融合了特定功能酶的枯草芽孢桿菌生物被膜和鉚釘在生物被膜上的金納米顆粒相結合，設計出新型的雜化催化級聯反應，并將此級聯反應用于環境生物修復，能將劇毒的有機磷農藥最終降解為低毒害化學品。這種活體細胞／無機雜化催化體系的建立為活體功能材料在生物修復、人工光合等方面的應用提供了很好的示范作用。

　　鐘超課題組進一步發現，利用基因工程不僅能改變枯草芽孢桿菌生物被膜的成份及生化功能，還能進一步調節生物被膜本身的機械性能（比如粘彈性）和物化性質（比如親疏水性）。被改造后的生物被膜展現出更適宜生物制造的凝膠膠體性質，可以通過3D打印精確地制成不同的三維形狀。實驗證明，這些活體材料不僅本身可以直接3D打印，還可以與量子點混合打印，打印成型的活體材料在水凝膠中能感應溶液中的外界信號發出熒光，可以用作生物傳感器。生物被膜展現出來的這些機械性質，對于未來不同用途的生物制造以及更安全包裝活細菌材料來說更具價值。值得一提的是，作為活體材料，這些工程改造后的生物被膜即使被長期儲存，仍具有自我再生的特性，并具有傳代后仍保留原有物理和機械性質的特征。因此展現出傳統材料不具有的“活體”特征。這項研究將為活體功能材料的應用拓寬思路。

　　本文第一作者為物質學院助理研究員黃嬌芳博士、2015級博士生劉蘇瑩和2015級碩士生張琛。鐘超為通訊作者，上科大為第一完成單位。該研究得到了上海市科委-基礎研究重點項目（合成生物學專項）、國家自然科學基金、青島海洋科學與技術國家實驗室-2016年度開放基金、上科大科研啟動基金等項目的支持。

　　該課題中原始菌株來自美國印第安納大學D. Kearns課題組的饋贈。課題在開展過程中，得到了華東師范大學葉海峰教授、中科院上海應物所樊春海教授（現上海交通大學）以及美國麻省理工學院Timothy K. Lu教授及課題組成員的幫助。透射電鏡和熒光顯微鏡表征分別獲得國家蛋白質中心和上科大生命學院成像平臺以及物質學院分析測試平臺的幫助。與本論文相關的工作已申請中國和國際專利（CN/201611156490.X和PCT/CN2018/100538)。

　　注：活體功能材料是合成生物學和材料科學交叉領域的新興研究方向（emerging field)，早在2018年3月，Nature系列雜志專欄作家Philip Ball曾受美國材料協會（Materials Research Society) 邀請，關于這一方向對全球活躍的研究人員進行專訪并在其會刊MRS Bulletin發表一篇領域綜述和展望文章(Ball, P. Synthetic biology—Engineering nature to make materials. MRS Bulletin 43, 477-484 (2018))。鐘老師作為領域的代表就生物被膜活體功能材料的發展發表了個人見解，而當前這篇文章的發表正代表了國際上這一新興領域迅速發展的一個縮影。