12 月 23 日，麻省理工學(xué)院（MIT）海歸博士后、現(xiàn)為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員的鐘超團(tuán)隊(duì)與 MIT 合作者在 nature reviews materials 雜志發(fā)表了一篇綜述論文，標(biāo)題為《基于合成生物學(xué)技術(shù)的材料設(shè)計(jì)》（Materials design by synthetic biology）。

圖 | 相關(guān)論文（來源：nature reviews materials）

在這篇綜述文章中，鐘超團(tuán)隊(duì)和麻省理工學(xué)院的 Timothy K. Lu 團(tuán)隊(duì)定義了材料合成生物學(xué)這一新興交叉領(lǐng)域的研究范疇，即綜合合成生物學(xué)和材料科學(xué)的工程原理，將生命系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)為具有可編程和新興功能的動態(tài)響應(yīng)材料。該文闡述了合成生物學(xué)方法和工具（包括基因電路，模式生物和相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)）應(yīng)用于功能活體材料的構(gòu)建，并重點(diǎn)探討了該領(lǐng)域的前景和未來挑戰(zhàn)。

材料合成生物學(xué)

隨著基因合成及編輯技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，生物學(xué)家能夠以類似于計(jì)算機(jī)編程的方式對自然界的活體系統(tǒng)進(jìn)行定制化的改造設(shè)計(jì)，在材料領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)則是將工程改造的生命體作為細(xì)胞工廠，以時空可調(diào)控的方式合成人類所需的生物材料。基于此，研究者們提出了材料合成生物學(xué)這一新興交叉領(lǐng)域，其實(shí)質(zhì)是借鑒并融合合成生物學(xué)和材料科學(xué)的工程原理，一方面借助合成生物學(xué)技術(shù)馴化、改造生命，結(jié)合理性設(shè)計(jì)的材料模塊并利用基因邏輯線路調(diào)控細(xì)胞動態(tài)、智能地合成材料；另一方面將功能定制改造的生命體與人工合成材料（比如水凝膠、半導(dǎo)體、混凝土等）合為整體，賦予傳統(tǒng)材料不具有的動態(tài)生命特征，從而創(chuàng)造出具有動態(tài)響應(yīng)能力的復(fù)合活體材料。

圖 | 合成生物學(xué)和材料合成生物學(xué)的主要進(jìn)展及時間表。（來源：nature reviews materials）

活體自組裝功能材料

活體自組裝材料是由基因工程編輯的活體系統(tǒng)及其所生產(chǎn)的非細(xì)胞自組裝成分組成的一類復(fù)合功能材料。由于程序化基因線路能夠賦予活體系統(tǒng)感應(yīng)環(huán)境、邏輯計(jì)算以及激活轉(zhuǎn)錄等能力，因而理論上活體系統(tǒng)能夠根據(jù)人工設(shè)計(jì)的基因線路，動態(tài)地合成具有定制化功能的材料。除了執(zhí)行復(fù)雜的應(yīng)用任務(wù)，工程改造的活體材料能夠保留活體系統(tǒng)自我復(fù)制和進(jìn)化等功能，因而也具備高度的再生性和環(huán)境適應(yīng)性。文章介紹了三種活體自組裝功能材料形式，分別是以相分離蛋白與蛋白氣囊為代表的胞內(nèi)凝聚體結(jié)構(gòu)，以大腸桿菌 curli 纖維為代表的生物被膜材料以及包括有靶心、條紋、細(xì)胞自組裝等形成的圖形化結(jié)構(gòu)，分別可用于超聲成像，水污染處理以及復(fù)合活體材料等。

圖 | 基于非活體和活體的自組裝功能材料。（來源：nature reviews materials）

雜合活體功能材料及其五大應(yīng)用

合成生物學(xué)技術(shù)改造的功能活體系統(tǒng)與性能優(yōu)越的人造材料相結(jié)合，將賦予合成材料更多的生物動態(tài)特性，比如自我調(diào)節(jié)、自修復(fù)以及對特定環(huán)境信號的感知與反饋能力等，而反過來人造材料例如支架材料則可以增強(qiáng)活體功能材料整體的機(jī)械強(qiáng)度并拓展其實(shí)用性。

因而，雜合活體功能材料結(jié)合了人工材料和活體系統(tǒng)的優(yōu)勢，讓傳統(tǒng)材料的應(yīng)用層面得以豐富，主要包括：

圖 | 雜合活體材料的代表性示例（來源：nature reviews materials）

第一，雜合活體傳感材料。合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的基因傳感線路賦予工程細(xì)胞特異性的環(huán)境響應(yīng)能力，構(gòu)成了全細(xì)胞生物傳感材料的基礎(chǔ)。將合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的傳感細(xì)菌與生物相容性的支架材料相結(jié)合，能夠給予傳感材料更強(qiáng)的實(shí)用能力。例如，GPCR 改造的釀酒酵母能夠識別真菌分泌的交配多肽而發(fā)生顏色變化，因而可被用于監(jiān)測環(huán)境中的特定病原體。

第二，雜合活體醫(yī)療材料。合成生物學(xué)可重新編程活體系統(tǒng)基因調(diào)控線路，因而為設(shè)計(jì)具有定制化醫(yī)療效果的活體材料提供了可能。除了在體內(nèi)輸送藥物治療慢性疾病，雜合的活體醫(yī)療材料也被嘗試用于清除皮膚表面的病原體感染。

第三，雜合活體電子材料。程序化設(shè)計(jì)的活體系統(tǒng)與電子設(shè)備相結(jié)合，為簡化生物傳感器的檢測過程以及實(shí)現(xiàn)對生物材料的遠(yuǎn)程實(shí)時控制開辟了新的方向。例如，MIT 研究人員設(shè)計(jì)了一種可吞服微生物電子設(shè)備（IMBED），方便患者對腸道健康（例如慢性出血癥）進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

第四，能量轉(zhuǎn)換材料。微生物燃料電池是依靠希瓦氏菌一類活體微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生電能的裝置，在污水處理方面應(yīng)用廣泛。通過合成生物學(xué)手段設(shè)計(jì)基因線路優(yōu)化調(diào)整電子代謝途徑能夠加強(qiáng)微生物的電子生成能力以及體外傳輸渠道。此外全細(xì)胞人工光合體系整合了無機(jī)材料吸收光能的特性以及活體生命催化合成的能力，加速了光能至化學(xué)能的有效轉(zhuǎn)化，因此有望用于未來的太空探索。

第五，雜合活體建筑材料。部分微生物能夠依靠分解尿素或者通過光合作用提高環(huán)境中的 pH，并誘導(dǎo)鈣離子礦化形成碳酸鈣沉淀。將這些微生物培養(yǎng)在含有營養(yǎng)物質(zhì)與鈣離子的砂漿中可以用于生物磚塊的制造，得到的建筑材料具備良好的機(jī)械強(qiáng)度，且生產(chǎn)過程不需要借助燒窯加熱，因而大幅減少了溫室氣體排放。

展望與當(dāng)前的挑戰(zhàn)

根據(jù)材料合成生物學(xué)當(dāng)前取得的進(jìn)展與不足之處，研究者指出了這一研究方向在未來發(fā)展過程中應(yīng)當(dāng)著力提升的幾個方向。

圖 | 材料合成生物學(xué)的挑戰(zhàn)和未來方向。（來源：鐘超團(tuán)隊(duì)）

當(dāng)前，材料合成生物學(xué)的大部分工作局限于模式生物的開發(fā)和使用，大腸桿菌這類模式微生物盡管易于工程設(shè)計(jì)，然而由于缺乏通用的材料修飾或分泌代謝途徑，在多數(shù)情況下并不是材料合成的完美宿主。所以，未來材料合成生物學(xué)的基因操作工具的發(fā)展應(yīng)當(dāng)向可生產(chǎn)高附加值材料的非模式生物傾斜，比如家蠶、蘑菇等高等生物。

除了基因工程重組代謝途徑，當(dāng)前工程菌株產(chǎn)生新功能的另一種方式是通過定向進(jìn)化策略優(yōu)化其基因線路。通過迭代誘變以及選擇性篩選，活體系統(tǒng)能夠代謝非常規(guī)底物并高效的應(yīng)用于生物材料合成。

此外，當(dāng)前的基因誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)中存在的操控不嚴(yán)格，背景泄露也會成為材料應(yīng)用中的負(fù)面影響因素。定向進(jìn)化技術(shù)可以用于優(yōu)化啟動子 - 調(diào)控子對，減少基因背景泄露，增強(qiáng)線路敏感度以及擴(kuò)大動態(tài)調(diào)控范圍。

在當(dāng)前發(fā)展的雜合活體材料中，細(xì)胞與水凝膠僅僅是簡單的封裝，而成熟的產(chǎn)品通常需要在更高的程度上將生命成分與非生命材料有機(jī)結(jié)合在一起。未來在機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的幫助下，活體系統(tǒng)和人工材料的無縫集成可能很快將成為現(xiàn)實(shí)。

并且，考慮到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化的需要，該領(lǐng)域的研究人員還應(yīng)努力解決合成生物學(xué)技術(shù)目前在可擴(kuò)展性和安全性方面存在的問題，特別需要說明的是安全問題一直以來就是阻止轉(zhuǎn)基因生物進(jìn)入市場的重要障礙。

盡管材料合成生物學(xué)領(lǐng)域尚未開發(fā)完全，還有很多難題與挑戰(zhàn)需要逐步破解，但正如鐘超等人所說，這一跨學(xué)科新興領(lǐng)域蘊(yùn)藏著的巨大潛力。因此，其誕生不僅為創(chuàng)建具有定制形態(tài)和功能的新型材料提供了可能性，還為生物醫(yī)藥、能源環(huán)境、國防軍事等領(lǐng)域提供了全新的發(fā)展思路。

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