按需粘合！深圳先进院钟超等人开发出智能细菌活体胶水，有望自行找到出血位置并修复！
钟超课题组
2020-10-14
近日，上海科技大学/中科院深圳先进技术研究院钟超课题组在活体功能材料这一前沿交叉研究方向上取得重要进展。课题组从海洋生物分泌的水下粘合材料具有环境响应和按需粘合等动态特征汲取灵感，利用合成生物学技术开发出基于细菌生物被膜的智能活体粘合胶水。该成果以《Programming Living Glue Systems to Perform Autonomous Mechanical Repairs》 为题，近日在Cell子刊 Matter上发表。随着基因合成成本的降低，以及近年来基因编辑和基因线路技术的不断突破，科学家当前能够以类似于计算机编程的方式对自然界的活体系统（细菌、真菌、细胞等）进行定制化改造和设计。除了在探索生命的调控原理以及在生物医学等领域的应用潜力之外，合成生物学技术的一个独特应用方向是以重新编程的生命体作为活细胞工厂，高效地生产功能材料：一方面利用精妙的生命代谢机器合成复杂的结构组分或者重组分子，从而生产出定制化功能材料；另一方面结合生命体的诸多活体属性包括自我再生、自适应、可进化以及环境响应等动态特性，发展出具有“生命”特征的活体功能材料。虽然当前活体功能材料领域取得了一系列进展，但是利用合成生物学特别是利用人工基因线路开发具有智能和自主特性的活体功能材料仍然是该领域的一个重大挑战。在该项研究中，课题组首先利用工程改造的大肠杆菌作为宿主，将大肠杆菌生物被膜淀粉样蛋白CsgA与海洋贻贝足丝蛋白Mfp3S进行融合表达，证明该重组粘性蛋白能被大肠杆菌宿主进行胞外分泌并组装成粘合纤维网络；接着借助细菌分工策略，分别设计能够生产粘合纤维和酪氨酸酶的菌株，特别地利用细胞-细胞交流基因线路，让产酪氨酸酶的菌株能够实时响应产粘合纤维的菌株并相应地分泌功能蛋白酶对粘合纤维进行特定地化学修饰，由此增强该粘合体系的粘合性能。研究证明该双菌体系构成的活体材料能够抓取溶液中悬浮微球，形成杂化复合涂层；此外，团队在基因线路中整合相关蓝光诱导的调控基因，并证明该活体粘合材料在光控条件下能对特定缺陷位置进行可控修复；最后，团队从治疗体内肠道慢性出血症的角度，发展了血液感知的活体胶水合成线路，并在体外的微流控装置模拟肠道出血实验中，验证了经过基因改造的细菌能够自发寻找出血位置，并分泌粘合胶水封堵出血伤口（图1）。 钟超课题组2019年开发了基于枯草芽孢杆菌生物被膜的可编程、可3D打印的活体功能材料（J. Huang, Nature Chemical Biology 2019, 15, 34–41），并以该枯草芽孢杆菌生物被膜技术作为平台，通过在此体系引入藤壶、贻贝以及沙塔蠕虫等海洋生物粘合蛋白或粘合特征，首次证明了细菌活体胶水的可行性（C. Zhang et al, Materials Today 2019. DOI:10.1016/j.mattod.2018.12.039）。此项研究是在前期活体胶水的基础上，进一步发展了具有环境响应和自主特征的智能活体胶水。这项研究证明合成生物学技术不仅可以改造生命让其生产定制化功能材料，还能够进一步通过设计的基因逻辑线路额外地赋予材料“智能”属性：比如活体系统感知特定信号后，启动相应的材料合成，并自动的作用于信号指示位置。当前发展的智能活体胶水有潜力运用在特定环境中，比如通过驯化海洋中的微生物，丰富其油气感知及粘合材料合成能力，可以制备微型“智能机器人”，用于长时间监控并维护海底输油管道（图 2）。通过将合成生物学技术特别是将精准定制化的基因逻辑线路引入到活体材料的理性设计，有望在未来的人工活体材料中实现自然材料体系中的诸多智能响应和自主性能。该研究成果特别鸣谢上海科技大学刘一凡课题组，麻省理工学院Timothy K. Lu以及Christopher A. Voigt课题组的协作。此项工作得到了国家自然科学基金联合重点基金，科技部重点研发计划合成生物学专项基金、上海市科委基础重点合成生物学专项基金，青岛海洋科学技术国家实验室开放资金等项目的支持，同时课题组鸣谢上科大物质学院电镜中心，分析测试平台以及生命学院成像平台的支持。文章链接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30504-X
