“活材料”成合成生物學新寵兒

　　生物是名副其實的建筑大師。螃蟹能裝配貝殼，珊瑚能積累礁石，人體組織能建造骨骼。現在，合成生物學家可以控制整個建造過程。

　　來自美國MIT的研究人員近日在Nature Materials《自然—材料學》期刊上宣布，他們重組了細菌的基因回路，以建造電子和光學材料，以及它們內部的活細胞。

MIT研究者們采用細菌工廠制造出能夠適應環境并具有自我調整功能的“活材料”

　　新材料雖然無法與傳統的電子器件一較高下。不過，外部研究人員表示，該功績提供了最小限度的幫助，為徹底使用基因工程改良的生物體建造復合材料打開了一扇新大門。“這是一個極為出色的研究。”未參與該研究的北卡羅來納州達拉謨市杜克大學生物醫學工程師Lingchong You說。

　　傳統制造業主要為能源密集型產業，通常具有污染性且對工人有害。“假如我們能夠駕馭細胞的力量（建造結構），我們就能使得整個過程‘變綠’。”You說。此外，由于生物體在諸多不同尺度下都能夠建造材料，例如人類身體骨骼結構分別有納米級、微尺度和米級，這項新研究將可能為工程材料添加新的復雜性。

　　該研究并非首個嘗試將工程改良生物體與材料相結合的研究。例如，1999年，目前供職于麻省理工學院（MIT）的Angela Belcher及其同事，改造了病毒，以裝配半導體納米粒子。之后，Belcher研究小組轉而設計病毒建造從鋰電池和光伏電板電極，到能分解水產生氫燃料的催化劑等各種材料。

　　但由于病毒不具備自己的細胞機器，他們制造的這些材料不是活的。這也就意味著，它們無法像細菌那樣響應外部環境。

　　MIT合成生物學家Timothy Lu及其同事進行的新研究將之前一些迥然不同的領域結合在一起。“我們的想法是將生命世界和無生命世界結合在一起制作混合材料，這些材料具有活的細胞以及功能性。”Lu說。

　　他們選擇從大腸桿菌入手，這種細菌能自然合作生產不同表面頂端的薄片狀生物膜。這種細菌能通過分泌一種名為卷曲菌毛纖維的蛋白質將這些薄膜束縛在一起。由名為CsgA的蛋白亞基重疊組成的這種纖維能將這種細菌彼此黏合及附著到表面。

　　在相關實驗中，該研究小組首先破壞了允許大腸桿菌細胞制造CsgA的遺傳途徑。取而代之的是一種經改造的遺傳回路，只有當研究人員添加化學觸發劑（一種AHL分子）時，該細菌才能產生CsgA。

　　然后，Lu等人設計了一批不同的大腸桿菌，這些細菌能產生蛋白質鏈或氨基酸較短的CsgA，并包含多重能束縛金屬粒子的組氨酸氨基酸。而這些細菌只有在響應其他化學觸發物（aTc）時才會表達組氨酸標識的CsgA。當aTc被加入后，大腸桿菌沉入一片薄膜，并抓住研究人員撒入燒杯的金納米粒子，然后創建一個能導電的網絡。

實驗數據

　　該研究小組同時培養了兩批大腸桿菌，以便通過在不同時間添加AHL和aTc改變薄膜的構成。在這種情況下，變化的合成物雖沒有添加新功能，但為綁定其他材料奠定了基礎。在一個單獨實驗中，研究人員使用不同的縮氨酸和化學觸發劑制作了能誘捕名為量子點的微小半導體粒子的細菌，原因在于其生物膜的光學性質被改變。

　　活材料的產業前景

　　1.充當電極、環境傳感器和人造組織

　　Lu希望能利用合成生物學的最新進展，在這些研究中，研究人員編程細菌形成環形、柵欄和其他形狀的“殖民地”。這能夠為更復雜的體系結構奠定基礎，這些結構可以充當電極、環境傳感器和人造組織。最終，這些活著的材料可以制成設備，當損壞時能夠自我修復。

　　2.吸收重金屬、環境毒素

　　另外，該技術也能被用于吸收鎘等環境毒素，以及將材料重新用于復雜的光學和有機設備。它甚至在礦藏勘探中也有用途：例如，專門設計的細菌能從環境中收集黃金。但是，這些實驗仍有很長的路要走。監管者還需要確信，進行基因改造的細菌在釋放到環境中后不會造成風險。