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在利用細(xì)菌生物被膜開(kāi)發(fā)活體粘合材料方面取得重要進(jìn)展。北京時(shí)間2019年1月20日，相關(guān)成果以“Engineered Bacillus subtilis biofilms as living glues”為題，在國(guó)際著名材料期刊《Materials Today》（為“今日材料”系列期刊的旗艦刊，旨在出版對(duì)材料科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛興趣的前沿、創(chuàng)新、高影響力論文）上在線(xiàn)發(fā)表。

粘合材料尤其是水下粘合材料，作為一種先進(jìn)的功能材料，在生物醫(yī)藥和海洋工業(yè)等多領(lǐng)域（例如，傷口愈合、下水管道涂層、船舶修復(fù)等）均有極其重要的應(yīng)用。許多海洋生物如藤壺、貽貝、沙塔蠕蟲(chóng)等能分泌具有較強(qiáng)水下粘性的粘合蛋白，為開(kāi)發(fā)仿生粘合材料提供了靈感與思路。近年來(lái)，盡管仿生粘合材料已取得諸多進(jìn)展，但與自然界海洋生物粘合劑相比，仍缺乏自我修復(fù)性、動(dòng)態(tài)可調(diào)性、響應(yīng)環(huán)境性等“活體”特征。此外，自然界粘合蛋白組份與功能的多樣性，也是目前仿生粘合材料（大部分建立在模擬粘合蛋白分子的單一特征上的仿生材料）所不能比擬的。

由此，鐘超課題組基于合成生物學(xué)與材料科學(xué)的交叉學(xué)科思想，首次提出了基于枯草芽孢桿菌生物被膜來(lái)構(gòu)建活體粘合膠水的新思路。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?？莶菅挎邨U菌的生物被膜基質(zhì)中則主要含有淀粉樣蛋白TasA、胞外多糖EPS以及表面疏水蛋白BslA等。結(jié)合自然界海洋生物的水下粘合特征，例如淀粉樣蛋白結(jié)構(gòu)（存在于藤壺粘性蛋白），多巴分子（存在于貽貝粘性足絲蛋白）以及金屬離子促進(jìn)的內(nèi)在交聯(lián)結(jié)構(gòu)（存在于沙塔蠕蟲(chóng)中），研究人員采用基因工程的手段，構(gòu)建了基于TasA和BslA的融合粘性蛋白TasA-Mefp5與BslA-Mfp3Sp，可分別提供內(nèi)在粘性和界面粘性能力。為解決原核生物不能翻譯后修飾的問(wèn)題，研究人員通過(guò)引入表達(dá)質(zhì)粒，讓細(xì)菌表達(dá)酪氨酸酶來(lái)催化酪氨酸成為多巴分子。此外，研究人員還利用多糖分子的聚陰離子特性，加入Fe³⁺或其他金屬離子溶液促成EPS-Fe³⁺的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步增加了生物被膜的內(nèi)在粘性。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，整合上述所有粘性設(shè)計(jì)特征的生物被膜粘性強(qiáng)度最高，且抵抗外界惡劣環(huán)境破壞（如活性劑，變性劑等）的能力最強(qiáng)。此外，整合所有粘性特征的生物被膜，其形貌、親疏水性以及粘性強(qiáng)度在接種傳代之后仍保持大致不變，這也充分證明了枯草芽孢桿菌生物被膜可作為工程活體粘合材料的較好平臺(tái)。進(jìn)一步測(cè)試表明，該活體粘合材料在金屬、玻璃以及不同高分子表面（如PET）均具有較好的水下粘合能力。

本研究充分利用了活體生物被膜的組成優(yōu)勢(shì)，通過(guò)基因工程實(shí)現(xiàn)微生物基因改造，巧妙地融入自然界海洋生物的不同粘合特征，從而得到粘性可調(diào)的生物被膜粘合材料。由于枯草芽孢桿菌通常被認(rèn)為是一種安全性的菌株（Generally Recognized as Safe，GRAS），因此，基于枯草芽孢桿菌的活體粘合膠水在生物醫(yī)藥、微生物治療等方面具有潛在的應(yīng)用前景。與本論文相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)工作已申請(qǐng)中國(guó)和國(guó)際專(zhuān)利（CN/201810519230.7和PCT/CN2018/121947)。

近年來(lái)，生物被膜已被當(dāng)成一種具有活體特征的功能材料（living functional materials）來(lái)開(kāi)發(fā)，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。鐘超課題組早前已證明，利用基因工程的光感應(yīng)大腸桿菌生物被膜，可將溶液中懸浮的無(wú)機(jī)納米顆粒按預(yù)先設(shè)定的方式有序地組裝，形成圖案化有序無(wú)機(jī)納米顆排布，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電子裝置（http://www.nk41tiy.xyz/2018/0425/c1001a22039/page.htm）。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志(Advanced Materials)上。此外，為了彌補(bǔ)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，鐘超課題組最近還開(kāi)發(fā)了基于枯草芽孢桿菌生物被膜的平臺(tái)，利用TasA淀粉樣蛋白融合表達(dá)一系列大分子量蛋白或短肽，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境修復(fù)、酶催化等功能，極大地推動(dòng)了基于枯草芽孢桿菌生物被膜活體材料的研究及應(yīng)用(http://www.nk41tiy.xyz/2018/1204/c1001a36604/page.htm)，相關(guān)成果發(fā)表在《自然化學(xué)生物》(Nature Chemical Biology)雜志上。本研究則是課題組在已開(kāi)發(fā)的可編程枯草芽孢桿菌生物被膜活體材料平臺(tái)基礎(chǔ)上，利用合成生物學(xué)技術(shù)在仿生粘合材料領(lǐng)域進(jìn)行的一項(xiàng)大膽前沿的創(chuàng)新工作。

本文第一作者為2015級(jí)碩士生張琛、物質(zhì)學(xué)院助理研究員黃嬌芳博士、2017級(jí)碩士生張繼聰。通訊作者為鐘超，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。

研究過(guò)程中，得到了中科院上海應(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；研究中的原始菌株來(lái)自美國(guó)印第安納大學(xué)D.Kearns課題組的饋贈(zèng)支持；所涉掃描電鏡和透射電鏡及粘性材料表征等，得到上科大物質(zhì)學(xué)院分析測(cè)試平臺(tái)和電鏡中心的幫助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.12.039

圖1 自然界海洋生物靈感的活體生物被膜粘合材料

圖2 整合型生物被膜活體粘合材料的設(shè)計(jì)與力學(xué)表征