我校物質(zhì)學(xué)院材料與物理生物學(xué)研究部鐘超教授課題組利用前沿合成生物學(xué)技術(shù)，研發(fā)了一種經(jīng)過(guò)基因編程改造的智能細(xì)菌。該細(xì)菌能響應(yīng)環(huán)境比如光和小分子，并能像經(jīng)過(guò)高精度編程的計(jì)算機(jī)程序一樣，按人為預(yù)先設(shè)定的方式進(jìn)行工作。在這項(xiàng)研究中，經(jīng)基因編程的細(xì)菌，能夠時(shí)空可控地對(duì)溶液中的無(wú)機(jī)納米材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)自組裝。近日，該研究成果以“Programming Cells for Dynamic Assembly of Inorganic Nano-objects with Spatiotemporal Control”為題，在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》上在線(xiàn)發(fā)表。該論文的創(chuàng)新性和研究成果備受審稿人和編輯的肯定和推崇，不僅入選2018年4月第16期內(nèi)封面文章，還被《Advanced Materials》編輯推薦在官方網(wǎng)站的視頻摘要(video abstract)中進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

生物動(dòng)態(tài)自組裝在自然界中普遍存在，并構(gòu)成了生物納米機(jī)器以及很多自然材料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)。如骨和貝殼等自然材料系統(tǒng)就是在細(xì)胞的參與下，對(duì)有機(jī)和無(wú)機(jī)組分進(jìn)行時(shí)空可控的動(dòng)態(tài)自組裝而形成。這些自然材料體系具備無(wú)與倫比的結(jié)構(gòu)多級(jí)性，很多材料性能（比如機(jī)械性能）也遠(yuǎn)優(yōu)于人工合成的材料。此外，這些動(dòng)態(tài)自組裝體系還具有過(guò)程自適應(yīng)、環(huán)境響應(yīng)和自我修復(fù)等特質(zhì)。因此，將自然動(dòng)態(tài)自組裝體系整合嵌入合成自組裝體系代表著一種新的自組裝方法，該方法在創(chuàng)造新的材料和納米結(jié)構(gòu)方面蘊(yùn)含著極大潛力，而這方面的交叉研究基本屬于空白。

在這項(xiàng)工作中，為了挖掘自然動(dòng)態(tài)自組裝體系蘊(yùn)含的潛力，實(shí)現(xiàn)其和合成的無(wú)機(jī)納米材料的完美整合，鐘超課題組利用合成生物學(xué)技術(shù)，對(duì)大腸桿菌的生物被膜淀粉樣蛋白基因進(jìn)行了改造。大腸桿菌生物被膜的主要成分是卷曲纖毛纖維，其主要成分是通過(guò)大腸桿菌分泌的CsgA蛋白亞基自組裝而成。首先，課題組通過(guò)對(duì)大腸桿菌生物被膜CsgA蛋白分泌基因的改造，開(kāi)發(fā)出光控（藍(lán)光）調(diào)控CsgA蛋白表達(dá)和分泌的基因環(huán)路； 其二，通過(guò)對(duì)CsgA蛋白進(jìn)行功能修飾，能讓分泌的CsgA蛋白自動(dòng)識(shí)別經(jīng)有機(jī)小分子配體修飾的無(wú)機(jī)納米材料。在光的誘導(dǎo)下，工程菌能吐出大量的CsgA功能蛋白，并在細(xì)胞周?chē)越M裝形成納米纖維材料網(wǎng)絡(luò)，由于生成的納米纖維在很多界面都具有超強(qiáng)的粘附作用，因而細(xì)菌最終能對(duì)溶液中的無(wú)機(jī)納米材料進(jìn)行大規(guī)模、多尺度并按時(shí)空可控的方式在各種界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)自組裝。

該研究首先證明了單種和多種納米顆粒在不同基底表面的動(dòng)態(tài)、大規(guī)模、多尺度組裝。藍(lán)光光控基因線(xiàn)路的引入則可以控制納米顆粒的空間布陣，布陣精度可達(dá)100μm。另外，通過(guò)控制納米顆粒的添加順序，還可以實(shí)現(xiàn)納米物件的自動(dòng)層層自組裝。該團(tuán)隊(duì)提出的此項(xiàng)動(dòng)態(tài)納米物件自組裝方法，在生物電子，光電器件，生物催化和可穿戴設(shè)備方面都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在示例應(yīng)用當(dāng)中，他們利用導(dǎo)電生物被膜制備了叉指電極陣列，并證明其可作為觸碰開(kāi)關(guān)裝置。該納米材料動(dòng)態(tài)自組裝方法還可用于創(chuàng)造活體功能材料，將無(wú)機(jī)體系的光電高效性和自然活體體系催化的高選擇性結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用于人工光合作用體系。同時(shí)，本項(xiàng)研究也為合成生物學(xué)在材料和生物納米技術(shù)上的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的范例。

該論文中，物質(zhì)學(xué)院2015級(jí)博士生王新宇為第一作者，2017級(jí)博士生濮嘉華和安柏霖為共同第一作者，鐘超為通訊作者，上科大為第一完成單位。物質(zhì)學(xué)院寧志軍教授課題組2016級(jí)博士生尚躍群參與了該項(xiàng)目，并在量子點(diǎn)的合成方面提供了指導(dǎo)和幫助。2014級(jí)本科生劉奕和2015級(jí)本科生巴方對(duì)該研究的樣品拍攝提供了幫助。這項(xiàng)成果的取得體現(xiàn)了上科大強(qiáng)調(diào)交叉學(xué)科建設(shè)的重要性，也反映了上科大鼓勵(lì)本科生勇于實(shí)踐、積極參與科研活動(dòng)的理念。

該研究得到了上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（合成生物學(xué)專(zhuān)項(xiàng)）、上科大科研啟動(dòng)基金、上?！笆锕鈱W(xué)者計(jì)劃”以及國(guó)家自然科學(xué)基金面上和聯(lián)合基金等項(xiàng)目和基金的支持。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201870115

納米物件的動(dòng)態(tài)自組裝（a），布陣（b）和層層自組裝（c）

內(nèi)封面：鐘超及其合作者發(fā)表了基于工程細(xì)胞策略的論文，利用生物膜的動(dòng)態(tài)自組裝實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)納米物件材料的模板化和時(shí)空間可控的自組裝，其組裝過(guò)程具備動(dòng)態(tài)調(diào)控，環(huán)境自適應(yīng)和多級(jí)復(fù)合的特性。通過(guò)感光基因元件和程序化的光照調(diào)節(jié)，細(xì)胞以空間可控的方式在基底的特定位置實(shí)現(xiàn)curli纖維的組裝過(guò)程，由此實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的布陣自組裝，最小精度可達(dá)100μm。