复旦大学孔彪教授团队Sci. Adv.：基于SAFs生物活体超组装新策略

孔彪教授团队

2020-04-08

核心内容：

1. 首次提出并命名的超组装框架材料Super-AssembledFrameworks (SAFs)新概念(SAF-1, Nature Chemistry, 2016)。

2. 强调了通过内源性和外源性强化两种主攻策略来构建纳米活体体系框架材料，以有效地增强杂化体系的生物功能性，从而进一步开发SAFs在活体体系的高科技智能应用。

纳米生物杂化体系

目前纳米生物杂化体系是材料工程与生物科学交叉研究的一个热点，其是利用合成的纳米材料（例如聚合物、碳纳米材料和纳米粒子）赋予生物体进化范围之外的新特性，例如增强活体体系对自然界致命因素的耐受性、程序化细胞代谢和增殖或人工光合作用等。新材料设计和加工技术的最新进展，使活体生物体系与功能材料理化性质的结合成为可能。到目前为止，从简单的生物分子到复杂的多细胞生物，许多不同类型的纳米材料已经被整合到各种生物系统中。这些纳米生物杂交体在生物技术、能源和环境方面显示出巨大的潜力，在包括能量收集、生物催化、生物传感、医学和机器人学在内的许多学科的高科技应用中展现出十分广阔的前景。

然而，目前纳米生物超组装这一领域的发展正处于萌芽阶段，在现实生活中的应用还没有完全实现，这种超组装结构的生物功能解读和纳米材料与生物系统集成的新技术开发等方面仍存在诸多问题。从生物相容性和功能相容性的角度综合考虑合成纳米材料与生物系统之间的界面也是设计杂化结构的重要考虑因素，此界面应允许有效的信号传导（如电、光和荧光信号），以在合成系统和生物系统之间提供双向通信。因此，开发具有独特物理化学性质和形态稳定性的与生物体系相容的纳米材料具有重要意义。迄今为止，大多使用自组装和渗透技术合成功能性纳米材料。而将模拟生物功能的功能性纳米材料与生物系统耦合，会为增强活体体系功能提供一种新的解决方案。因为材料的尺寸、形貌、几何结构和结晶度等会影响材料的性能，优化这几方面参数也将提高理解、设计和优化材料生物界面的能力，以实现纳米生物体系的改进以及新应用的研发。借助超组装策略设计新型框架材料用于构建纳米活体体系杂化结构十分有必要。

综述简介

有鉴于此，复旦大学孔彪教授（通讯作者）等在Science Advances期刊上在线发表了题为“Nanobiohybrids: Materials approachesfor bioaugmentation”的综述文章。全文系统地总结了利用超组装策略构建纳米活体体系框架材料的工作，重点关注用于构建纳米生物杂化系统的材料和由纳米生物杂化系统产生的增强或新的生物功能性，并结合功能性纳米材料与生物系统的界面结合的最新进展，概述展望了可能适用于未来生物强化应用的合成方法和技术，且从纳米生物界面的材料选择和构建到旨在增强或实现新的生物功能的新兴应用，对该领域今后的发展方向进行了探讨。

图1. 基于SAFs生物活体超组装框架材料体系新策略。

要点1：构建纳米生物杂交体的合成策略和材料

图2. SAFs超组装策略以及生物杂交系统：（A）聚二烯丙基二甲基氯化铵和苯乙烯磺酸盐通过逐层沉积法在蓝藻上沉积二氧化硅涂层；（B）单壁碳纳米管增强示意图；（C）单壁碳纳米管通过叶绿体双层膜的运输；（D）显示用于单元封装的逐层自组装的不同策略的示意图；（E）植物基本生理学图解及其与电子学的类比；（F）用注射器将聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）注入叶子中；（G）仿生EV-MOF蛋白质纳米粒和蛋白质胞内传递的示意图；（H）活酵母细胞上细胞保护膜的仿生结晶示意图；（I）MOF单层包裹的示意图；（J）单个酵母细胞上MPN外壳的示意图；（K）活植物内部形态的图解。

要点2：超组装生物强化的材料策略和应用

图3.超组装生物强化的材料策略和应用。

要点3：生物大分子基的纳米活体体系的超组装策略与性能

图4. 基于生物大分子的纳米生物杂化物的超组装与性能：（A）突变病毒蛋白CaP包被原理图及病毒热稳定性的体外实验以及在不同温度下测定的热失活动力学；（B）过氧化氢酶和超氧化物歧化酶在FNPNC-333中的插入及几种超氧化物歧化酶制剂的相关酶活性。荧光细胞图像显示活细胞内FNPNC-333颗粒；（C）不同处理条件对过氧化氢酶@ZIF-L生物催化效率的影响；（D）单链DNA细胞内传递的图示；（E）抗体功能化DNA纳米粒子上的可逆MOF涂层示意图；（F）显微图像显示裸蛋白组和MPN保护蛋白组的稳定性；（G）用于封装单个外体的微流控装置示意图；（H）在金属有机分子网中包裹病毒的方法示意图。

要点4：细胞基纳米活体体系的超组长策略与性能

图5. 细胞基纳米生物杂化物的超组装与性能：（A）单个酵母细胞的聚多巴胺包封和表面功能化示意图和切片杂交细胞的透射电镜显微照片；（B）通过原位活性自由基聚合，引入功能性高分子对细胞表面进行修饰的示意图；（C）胺化小球和胰岛细胞团的包被方案示意图和包被后48小时的包被胰岛的多层投影共聚焦图像；（D）制备透明带样纳米生物杂交干细胞植入子宫壁的示意图。

要点5：先进纳米仿生学的超组装策略与性能

图6. 先进纳米仿生学的超组装与性能：（A）生物活性MOF涂层与酵母细胞界面构建仿生细胞的示意图；（B）人工水母结构和二维肌肉结构示意图；（C）小鼠中结合上转换纳米颗粒（UCNP）的可注射光感受器的示意图；（D）叶子中纳米颗粒的示意图和发光植物的图像；（E）绿叶生物模板剂合成morph-TiO₂的过程说明；（F）天然和人工叶片的结构和功能比较。

小结

综上所述，基于通讯作者孔彪教授通过探索功能性SAFs结构与活体体系结合相关功能性之间的紧密联系，本文提出了功能性纳米材料与生物系统的超组装界面设计策略，以更好地构建SAFs纳米活体体系，从而进一步推动这一领域的发展。

参考文献

Nanobiohybrids: Materials approaches for bioaugmentation (Science Adv., 2020, 6: eaaz0330)

 https://advances.sciencemag.org/content/6/12/eaaz0330

通讯作者简介

孔彪，国家特聘专家，上海市特聘专家，复旦大学研究员，博士生导师，国家重点研发计划首席科学家，激光医疗国家工程实验室学术委员会副主任，国际刊物Materials Today Sustainability (Elsevier)顾问编委。曾任美国斯坦福大学材料科学与工程系研究员，香港科技大学及美国南加州大学访问教授。博士毕业于澳大利亚 Monash 大学与复旦大学获工学与理学博士学位，国外博士毕业论文被学位委员会选为澳大利亚Monash大学优秀博士论文校长奖，师从中国科学院赵东元院士、CordeliaSelomulya教授、澳大利亚科学院与工程院院士Frank Caruso教授、斯坦福大学大学Yi Cui教授。曾任墨尔本大学化学与生物分子工程系任专项研究员，任职期间荣获澳大利亚“维多利亚学术之星”荣誉称号。曾任澳大利亚Monash大学研究生会学术副主席，澳中科学家创业协会主要发起人并任常务委员。荣获上海市自然科学一等奖、孔子教育基金会优秀科学家奖、澳大利亚 Monash 大学优秀博士论文校长奖、上海市青少年发展创新市长奖、宝钢教育基金特等奖获得者（全国排名第一）、澳大利亚维州学术之星、陶氏化学可持续发展创新奖一等奖、中国分析测试协会科学技术奖(CAIA 奖) 一等奖等荣誉及奖励。回国后组建超组装SAFs材料与器件课题组，主要从事超组装框架SAFs智能材料及核心器件的设计集成和高端制造。近年来，孔彪研究员已在《自然·化学》Nature Chemistry、《科学·进展》Science Advances等期刊上发表高质量的学术论文近90篇，主持及参与国家重点研发计划、军委科技委基础加强计划重点项目、国家超级计算材料基因组重大创新工程、省市重大科技创新工程等项目10余项。相关研究成果被PHYS&ORG、Chem. Views等多家新闻媒体和杂志报道，并被 Weily 杂志选为特别专题与研究热点，被英国皇家化学会Chem.Soc.Rev.封面及热点文章，也被Chemistry World选为中国最具有应用前景的科研成果报道，以及被Nature自然出版集团选为亮点总结。孔彪教授归国后注重面向具体社会需求开展技术合作研究工作，与国家超级计算中心合作基于国家自主超级计算平台开创性的构建了先端材料基因组平台，并担任国家超级计算先进材料创新联盟执行主任；筹建复旦-海尔生物医疗联合研究中心，针对突发公共卫生事件与应急管理，联合海尔生物医疗开发了极端环境下疫苗存储与生物快速检测的关键技术及接种创新平台，创建了基于物联网和大数据的智慧生物医疗及应急管理解决方案，联合研究的Haier系列产品远销70多个国家和地区。