我校物質(zhì)學(xué)院鐘超教授課題組在開(kāi)發(fā)活體功能材料方面取得了重要進(jìn)展。北京時(shí)間2018年12月4日，相關(guān)成果以“Programmable and printable Bacillus subtilisbiofilms as engineered living materials”為題，在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Chemical Biology》（自然·化學(xué)生物學(xué)）在線(xiàn)發(fā)表。

細(xì)菌生物被膜通常由細(xì)菌及其胞外分泌物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、多糖、DNA）組成。近年來(lái)，基于大腸桿菌的可編程生物被膜被當(dāng)成一種具有活體特征的功能材料（living functional materials）來(lái)應(yīng)用，表現(xiàn)出很多傳統(tǒng)材料不具備的性能，如可基因編程、多功能、環(huán)境響應(yīng)、自適應(yīng)性以及可進(jìn)化等特征。鐘超課題組前期已證明，光感應(yīng)細(xì)菌生物被膜可應(yīng)用于動(dòng)態(tài)自組裝材料領(lǐng)域，能將溶液中懸浮的無(wú)機(jī)納米顆粒按預(yù)先設(shè)定的方式有序地組裝無(wú)機(jī)納米顆粒和相應(yīng)的電子裝置（http://www.nk41tiy.xyz/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(wèn)題，基于大腸桿菌生物被膜活體功能材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用受到了嚴(yán)重限制。

針對(duì)當(dāng)前大腸桿菌生物被膜活體材料存在的潛在問(wèn)題，研究人員在這項(xiàng)研究中理性選擇了枯草芽孢桿菌作為工程改造對(duì)象?？莶菅挎邨U菌是一種革蘭氏陽(yáng)性菌，只有一層細(xì)胞壁，因其強(qiáng)大的分泌能力在食品和制藥工業(yè)中被廣泛采用，同時(shí)這種細(xì)菌也是一種被FDA認(rèn)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(yōu)越不少。研究人員利用合成生物學(xué)和材料科學(xué)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(tuán)隊(duì)首先采用基因工程手段將不同功能的蛋白或結(jié)構(gòu)域通過(guò)TasA融合表達(dá)并分泌，驗(yàn)證了融合不同結(jié)構(gòu)域的TasA淀粉樣蛋白都可以被表達(dá)、胞外分泌并在細(xì)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(gè)活體材料平臺(tái)的應(yīng)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(jié)合，設(shè)計(jì)出新型的雜化催化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，并將此級(jí)聯(lián)反應(yīng)用于環(huán)境生物修復(fù)，能將劇毒的有機(jī)磷農(nóng)藥最終降解為低毒害化學(xué)品。這種活體細(xì)胞／無(wú)機(jī)雜化催化體系的建立為活體功能材料在生物修復(fù)、人工光合等方面的應(yīng)用提供了很好的示范作用。

鐘超課題組進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，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(jìn)一步調(diào)節(jié)生物被膜本身的機(jī)械性能（比如粘彈性）和物化性質(zhì)（比如親疏水性）。被改造后的生物被膜展現(xiàn)出更適宜生物制造的凝膠膠體性質(zhì)，可以通過(guò)3D打印精確地制成不同的三維形狀。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)混合打印，打印成型的活體材料在水凝膠中能感應(yīng)溶液中的外界信號(hào)發(fā)出熒光，可以用作生物傳感器。生物被膜展現(xiàn)出來(lái)的這些機(jī)械性質(zhì)，對(duì)于未來(lái)不同用途的生物制造以及更安全包裝活細(xì)菌材料來(lái)說(shuō)更具價(jià)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(zhǎng)期儲(chǔ)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(jī)械性質(zhì)的特征。因此展現(xiàn)出傳統(tǒng)材料不具有的“活體”特征。這項(xiàng)研究將為活體功能材料的應(yīng)用拓寬思路。

本文第一作者為物質(zhì)學(xué)院助理研究員黃嬌芳博士、2015級(jí)博士生劉蘇瑩和2015級(jí)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(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（合成生物學(xué)專(zhuān)項(xiàng)）、國(guó)家自然科學(xué)基金、青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室-2016年度開(kāi)放基金、上科大科研啟動(dòng)基金等項(xiàng)目的支持。

該課題中原始菌株來(lái)自美國(guó)印第安納大學(xué)D. Kearns課題組的饋贈(zèng)。課題在開(kāi)展過(guò)程中，得到了華東師范大學(xué)葉海峰教授、中科院上海應(yīng)物所樊春海教授（現(xiàn)上海交通大學(xué)）以及美國(guó)麻省理工學(xué)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(guó)家蛋白質(zhì)中心和上科大生命學(xué)院成像平臺(tái)以及物質(zhì)學(xué)院分析測(cè)試平臺(tái)的幫助。與本論文相關(guān)的工作已申請(qǐng)中國(guó)和國(guó)際專(zhuān)利（CN/201611156490.X和PCT/CN2018/100538)。

注：活體功能材料是合成生物學(xué)和材料科學(xué)交叉領(lǐng)域的新興研究方向（emerging field)，早在2018年3月，Nature系列雜志專(zhuān)欄作家Philip Ball曾受美國(guó)材料協(xié)會(huì)（Materials Research Society) 邀請(qǐng)，關(guān)于這一方向?qū)θ蚧钴S的研究人員進(jìn)行專(zhuān)訪(fǎng)并在其會(huì)刊MRS Bulletin發(fā)表一篇領(lǐng)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(lǐng)域的代表就生物被膜活體功能材料的發(fā)展發(fā)表了個(gè)人見(jiàn)解，而當(dāng)前這篇文章的發(fā)表正代表了國(guó)際上這一新興領(lǐng)域迅速發(fā)展的一個(gè)縮影。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41589-018-0169-2

圖1.可編程可打印的枯草芽孢桿菌生物被膜活體材料示意圖。

圖2.可以3D打印的基因工程改造的生物被膜。

圖3.可3D打印并可感應(yīng)信號(hào)及再生（Regeneration）的生物被膜。

圖4.第一作者和通訊作者鐘超教授合影（從左至右：劉蘇瑩、鐘超、黃嬌芳、張?。?/p>