基于合成生物学技术的材料设计

12 月 23 日，麻省理工学院（MIT）海归博士后、现为中国科学院深圳先进技术研究院研究员的钟超团队与 MIT 合作者在 nature reviews materials 杂志发表了一篇综述论文，标题为《基于合成生物学技术的材料设计》（Materials design by synthetic biology）。

图 | 相关论文（来源：nature reviews materials）

在这篇综述文章中，钟超团队和麻省理工学院的 Timothy K. Lu 团队定义了材料合成生物学这一新兴交叉领域的研究范畴，即综合合成生物学和材料科学的工程原理，将生命系统重新设计为具有可编程和新兴功能的动态响应材料。该文阐述了合成生物学方法和工具（包括基因电路，模式生物和相关的设计参数）应用于功能活体材料的构建，并重点探讨了该领域的前景和未来挑战。

材料合成生物学

随着基因合成及编辑技术的发展进步，生物学家能够以类似于计算机编程的方式对自然界的活体系统进行定制化的改造设计，在材料领域的应用体现则是将工程改造的生命体作为细胞工厂，以时空可调控的方式合成人类所需的生物材料。基于此，研究者们提出了材料合成生物学这一新兴交叉领域，其实质是借鉴并融合合成生物学和材料科学的工程原理，一方面借助合成生物学技术驯化、改造生命，结合理性设计的材料模块并利用基因逻辑线路调控细胞动态、智能地合成材料；另一方面将功能定制改造的生命体与人工合成材料（比如水凝胶、半导体、混凝土等）合为整体，赋予传统材料不具有的动态生命特征，从而创造出具有动态响应能力的复合活体材料。

图 | 合成生物学和材料合成生物学的主要进展及时间表。（来源：nature reviews materials）

活体自组装功能材料

活体自组装材料是由基因工程编辑的活体系统及其所生产的非细胞自组装成分组成的一类复合功能材料。由于程序化基因线路能够赋予活体系统感应环境、逻辑计算以及激活转录等能力，因而理论上活体系统能够根据人工设计的基因线路，动态地合成具有定制化功能的材料。除了执行复杂的应用任务，工程改造的活体材料能够保留活体系统自我复制和进化等功能，因而也具备高度的再生性和环境适应性。文章介绍了三种活体自组装功能材料形式，分别是以相分离蛋白与蛋白气囊为代表的胞内凝聚体结构，以大肠杆菌 curli 纤维为代表的生物被膜材料以及包括有靶心、条纹、细胞自组装等形成的图形化结构，分别可用于超声成像，水污染处理以及复合活体材料等。

图 | 基于非活体和活体的自组装功能材料。（来源：nature reviews materials）

杂合活体功能材料及其五大应用

合成生物学技术改造的功能活体系统与性能优越的人造材料相结合，将赋予合成材料更多的生物动态特性，比如自我调节、自修复以及对特定环境信号的感知与反馈能力等，而反过来人造材料例如支架材料则可以增强活体功能材料整体的机械强度并拓展其实用性。

因而，杂合活体功能材料结合了人工材料和活体系统的优势，让传统材料的应用层面得以丰富，主要包括：

图 | 杂合活体材料的代表性示例（来源：nature reviews materials）

第一，杂合活体传感材料。合成生物学设计的基因传感线路赋予工程细胞特异性的环境响应能力，构成了全细胞生物传感材料的基础。将合成生物学设计的传感细菌与生物相容性的支架材料相结合，能够给予传感材料更强的实用能力。例如，GPCR 改造的酿酒酵母能够识别真菌分泌的交配多肽而发生颜色变化，因而可被用于监测环境中的特定病原体。

第二，杂合活体医疗材料。合成生物学可重新编程活体系统基因调控线路，因而为设计具有定制化医疗效果的活体材料提供了可能。除了在体内输送药物治疗慢性疾病，杂合的活体医疗材料也被尝试用于清除皮肤表面的病原体感染。

第三，杂合活体电子材料。程序化设计的活体系统与电子设备相结合，为简化生物传感器的检测过程以及实现对生物材料的远程实时控制开辟了新的方向。例如，MIT 研究人员设计了一种可吞服微生物电子设备（IMBED），方便患者对肠道健康（例如慢性出血症）进行实时监控。

第四，能量转换材料。微生物燃料电池是依靠希瓦氏菌一类活体微生物分解有机物产生电能的装置，在污水处理方面应用广泛。通过合成生物学手段设计基因线路优化调整电子代谢途径能够加强微生物的电子生成能力以及体外传输渠道。此外全细胞人工光合体系整合了无机材料吸收光能的特性以及活体生命催化合成的能力，加速了光能至化学能的有效转化，因此有望用于未来的太空探索。

第五，杂合活体建筑材料。部分微生物能够依靠分解尿素或者通过光合作用提高环境中的 pH，并诱导钙离子矿化形成碳酸钙沉淀。将这些微生物培养在含有营养物质与钙离子的砂浆中可以用于生物砖块的制造，得到的建筑材料具备良好的机械强度，且生产过程不需要借助烧窑加热，因而大幅减少了温室气体排放。

展望与当前的挑战

根据材料合成生物学当前取得的进展与不足之处，研究者指出了这一研究方向在未来发展过程中应当着力提升的几个方向。

图 | 材料合成生物学的挑战和未来方向。（来源：钟超团队）

当前，材料合成生物学的大部分工作局限于模式生物的开发和使用，大肠杆菌这类模式微生物尽管易于工程设计，然而由于缺乏通用的材料修饰或分泌代谢途径，在多数情况下并不是材料合成的完美宿主。所以，未来材料合成生物学的基因操作工具的发展应当向可生产高附加值材料的非模式生物倾斜，比如家蚕、蘑菇等高等生物。

除了基因工程重组代谢途径，当前工程菌株产生新功能的另一种方式是通过定向进化策略优化其基因线路。通过迭代诱变以及选择性筛选，活体系统能够代谢非常规底物并高效的应用于生物材料合成。

此外，当前的基因诱导表达系统中存在的操控不严格，背景泄露也会成为材料应用中的负面影响因素。定向进化技术可以用于优化启动子 - 调控子对，减少基因背景泄露，增强线路敏感度以及扩大动态调控范围。

在当前发展的杂合活体材料中，细胞与水凝胶仅仅是简单的封装，而成熟的产品通常需要在更高的程度上将生命成分与非生命材料有机结合在一起。未来在机器学习和人工智能的帮助下，活体系统和人工材料的无缝集成可能很快将成为现实。

并且，考虑到现实应用与产业化的需要，该领域的研究人员还应努力解决合成生物学技术目前在可扩展性和安全性方面存在的问题，特别需要说明的是安全问题一直以来就是阻止转基因生物进入市场的重要障碍。

尽管材料合成生物学领域尚未开发完全，还有很多难题与挑战需要逐步破解，但正如钟超等人所说，这一跨学科新兴领域蕴藏着的巨大潜力。因此，其诞生不仅为创建具有定制形态和功能的新型材料提供了可能性，还为生物医药、能源环境、国防军事等领域提供了全新的发展思路。

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