Chemical Reviews | 工程活材料與可持續(xù)發(fā)展
北京時(shí)間12月14日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所鐘超研究員及合作者在國際知名學(xué)術(shù)期刊Chemical Reviews(IF=72)在線發(fā)表特邀綜述文章“Engineered Living Materials For Sustainability”。 文章在討論新興工程活材料領(lǐng)域重要進(jìn)展和未來挑戰(zhàn)的同時(shí),對(duì)該類材料如何加強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展提出了新的觀點(diǎn)和思考。
文章上線截圖
近年來,合成生物學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域的交叉發(fā)展衍生了一種新的材料形式,即工程活材料,又稱活材料,其由生物細(xì)胞嵌入自身所分泌的胞外基質(zhì)或人工材料支架所組成。與骨骼、木材和皮膚等天然材料一樣,工程活材料擁有活細(xì)胞的各種動(dòng)態(tài)特征,即能夠按需所取的自我生長、自我組織和自我修復(fù)(圖1)。它們也會(huì)在感知外部環(huán)境信號(hào)時(shí)執(zhí)行基因信息所預(yù)先編程的生物功能,具備顯著的刺激響應(yīng)性,這是很多傳統(tǒng)合成材料所不具備的能力。目前,工程活材料在綠色能源生產(chǎn)、環(huán)境修復(fù)、疾病治療和制造先進(jìn)智能材料方面表現(xiàn)出可觀的發(fā)展前景(圖1)。
在這篇綜述中,作者們首先介紹了微生物、植物、動(dòng)物等天然系統(tǒng)的生命動(dòng)態(tài)特征及開發(fā)新材料的潛力。文章繼而從合成生物學(xué)和材料科學(xué)兩個(gè)角度系統(tǒng)的總結(jié)了活材料的工程設(shè)計(jì)策略以及最新研究進(jìn)展。文章最后討論了工程活材料對(duì)促進(jìn)可持續(xù)性的積極影響,并提出未來的關(guān)鍵研究方向。
深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所材料合成生物學(xué)研究中心鐘超研究員、戴卓君研究員、易嘯研究員以及哈佛大學(xué)Tzu-Chieh Tang(唐子杰)博士為本文的共同通訊作者。合成所材料中心博士后安柏霖、博士后王艷怡以及黃園園助理研究員為共同第一作者,合成所材料中心副研究員王新宇、科研助理劉雨竹、博士研究生尋東民以及哈佛大學(xué)George M Church教授對(duì)本文撰寫也做出重要貢獻(xiàn)。
人口增長和工業(yè)化造成的全球污染已成為當(dāng)今世界所面對(duì)的核心問題之一。對(duì)可持續(xù)發(fā)展的需求使人類對(duì)能源和材料的綠色制造的興趣正在日益增加。億萬年的自然選擇使每種生命系統(tǒng)進(jìn)化出高效獨(dú)特的生物合成機(jī)器,這些生命體可以自主生產(chǎn)、代謝以及回收生物質(zhì)。利用天然生命系統(tǒng)合成特定生物質(zhì)有望創(chuàng)造清潔能源和可生物降解的材料,減少全球環(huán)境污染。
隨著技術(shù)進(jìn)步,人類獲取和使用生物質(zhì)的方式也在不斷升級(jí)。盡管從自然界提取所需生物質(zhì)的方式簡單直接,然而對(duì)于低天然產(chǎn)量的部分材料物質(zhì)(如提取每克貽貝粘性蛋白需消耗10000只貽貝),龐大的生產(chǎn)成本限制了其經(jīng)濟(jì)可行性。自20世紀(jì)70年代以來,迅猛發(fā)展的基因工程技術(shù)為開發(fā)轉(zhuǎn)基因生命生產(chǎn)增值生物質(zhì)提供了無限可能。在這一時(shí)期,各種各樣天然代謝途徑被引入到細(xì)菌、真菌、植物、昆蟲以及動(dòng)物細(xì)胞中異源發(fā)酵,合成出諸如青蒿素、胰島素、病毒抗體等治療藥物以及反射蛋白、足絲粘蛋白、蛛絲蛋白等功能蛋白材料等,實(shí)現(xiàn)了稀缺生物質(zhì)的大規(guī)模生產(chǎn)制造。
在基因工程技術(shù)的基礎(chǔ)上,21世紀(jì)初新興的合成生物技術(shù)融合了模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和特征化/抽象化等工程技術(shù)原理,以類似計(jì)算機(jī)程序編程的方式理性設(shè)計(jì)生命系統(tǒng),極大提高了人類對(duì)合成生命的操縱能力。例如,人工設(shè)計(jì)的基因線路能夠賦予宿主細(xì)胞感知外部特定環(huán)境信號(hào)如光照、溫度以及電流等的能力。這些信息輸入細(xì)胞后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為生理信號(hào),并由合成基因元件(例如放大、振蕩和布爾邏輯計(jì)算等)進(jìn)一步處理,最終驅(qū)動(dòng)細(xì)胞執(zhí)行用戶定義的、程序編程的生命行為(如細(xì)胞分化、細(xì)胞遷移或生物合成等)。以這些重新編程設(shè)計(jì)的合成細(xì)胞作為生產(chǎn)生物質(zhì)的底盤宿主,人類有能力精準(zhǔn)操縱生命體在特定地點(diǎn)、特定時(shí)間生產(chǎn)出特定的功能物質(zhì),實(shí)現(xiàn)材料的智能化(按需所取)合成與應(yīng)用。基于此,以活細(xì)胞作為主要組分的工程活材料蓬勃發(fā)展,這些活材料為人類利用基因工程改造生命體實(shí)現(xiàn)可持續(xù)應(yīng)用創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。
與傳統(tǒng)的由天然提取或異源發(fā)酵所得到的生物質(zhì)所制作的生物材料不同,活材料由嵌入在基質(zhì)中的活細(xì)胞或群落所組成,故而該材料具備獨(dú)特的生命動(dòng)態(tài)屬性。利用合成生物技術(shù)重新編程生命的遺傳信息,能夠以 “自下而上”的方式理性設(shè)計(jì)功能可定制的活材料(圖2)。比如通過對(duì)細(xì)菌生物被膜蛋白與海洋粘性蛋白的基因重組,研究者開發(fā)出基于生物被膜的活膠水材料,而將人工設(shè)計(jì)的重金屬感知基因線路植入活細(xì)菌生物被膜的合成途徑,研究者工程制作出可智能感知污染并自主進(jìn)行環(huán)境修復(fù)的自組織活材料。
材料科學(xué)家也在利用“自上而下”的方法來生產(chǎn)包含活細(xì)胞以及非生命組分的雜合活材料。非生命成分,如水凝膠、微膠囊、導(dǎo)電聚合物、量子點(diǎn)、電子器件等可用于保護(hù)脆弱的生命細(xì)胞免受外界環(huán)境破壞,或者作為輔助成分強(qiáng)化活材料的某種性能(如電子傳遞、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)傳輸?shù)龋▓D3)。各種制造和加工技術(shù)(如3D打印、靜電紡絲和微流控技術(shù)等)也被應(yīng)用到活材料的開發(fā)制作中,實(shí)現(xiàn)了活材料尺寸以及形狀的可定制化,顯著增強(qiáng)了活材料的實(shí)用性。
工程活材料以多種方式促進(jìn)可持續(xù)性。由生命系統(tǒng)制造的材料可以取代由石油和其他高碳和高污染排放源制造的合成材料,這樣的替代策略有效地減少了對(duì)溫室氣體的排放以及人類對(duì)石油基前體的依賴。使用活材料,人類可以直接將CO2轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品,主動(dòng)地從大氣中清除CO2,產(chǎn)生負(fù)碳排放。因此,利用生物體生產(chǎn)材料可以促進(jìn)可持續(xù)性,減少導(dǎo)致氣候變化的負(fù)面環(huán)境影響。從綠色能源生產(chǎn)、污染物環(huán)境修復(fù)、先進(jìn)醫(yī)療材料開發(fā)到生產(chǎn)制作生物塑料、生物皮革、人造肉、顏料染料、環(huán)保生物磚、活性種子包衣、食品涂層等,工程活材料可被應(yīng)用到人類生活中的方方面面,促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展(圖4)。
然而目前活材料的推廣應(yīng)用也存在一些困難與挑戰(zhàn),比如細(xì)胞生長緩慢、材料物質(zhì)產(chǎn)量低、強(qiáng)度弱、不耐用以及潛在的生物危害或者公眾接受困難、監(jiān)管障礙等問題。故而,在工程活材料領(lǐng)域,未來的研究可重點(diǎn)關(guān)注1)借助高通量自動(dòng)化設(shè)施篩選底盤細(xì)胞與高效代謝途徑;2)利用定向進(jìn)化優(yōu)化生物質(zhì)材料性能;3)通過人工智能輔助材料設(shè)計(jì);4)工程自養(yǎng)生物或者使用廉價(jià)易獲得的營養(yǎng)源培育活材料;5)提高細(xì)胞耐受性,延長活材料工作壽命;6)推進(jìn)生命個(gè)體或種群之間以及生命與非生命功能組分的分工協(xié)作,提高生產(chǎn)與應(yīng)用效率;7)重視生物安全容器設(shè)計(jì),加強(qiáng)活材料的生物安全管理,以及8)完善活材料應(yīng)用的相關(guān)法規(guī),為合成生物學(xué)和工程活材料建立明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等方面。
總結(jié):受自然界中生命體動(dòng)態(tài)行為的啟發(fā),研究人員開發(fā)了兼具生物合成與環(huán)境響應(yīng)能力的工程活材料,滿足社會(huì)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的需求(圖5)。作為活材料的重要組成部分,活細(xì)胞為材料產(chǎn)品賦予了諸如自我修復(fù)、自我再生、自我組裝等生命動(dòng)態(tài)行為。尤其是生命遺傳物質(zhì)的可編程性使人類可通過簡單地改寫基因信息靈活的操縱材料的合成過程,這使活材料擁有了傳統(tǒng)惰性材料所欠缺的刺激響應(yīng)性。盡管面臨許多挑戰(zhàn),活材料能夠減少環(huán)境污染、提高作物產(chǎn)量和產(chǎn)生負(fù)碳排放,在可持續(xù)發(fā)展方面依然顯示出良好的應(yīng)用前景。隨著未來技術(shù)的進(jìn)步,工程活材料將會(huì)在健康、能源、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和節(jié)能基礎(chǔ)設(shè)施等方面中發(fā)揮出更加重要的作用。
該文章是繼鐘超研究員與Timothy K Lu教授于2020年提出以工程活材料為重點(diǎn)的材料合成生物學(xué)(Nature Reviews Materials 6.4 (2021): 332-350)研究范疇后,該團(tuán)隊(duì)對(duì)活材料環(huán)??沙掷m(xù)性的進(jìn)一步討論。
工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合項(xiàng)目,深圳先進(jìn)技術(shù)研究院啟動(dòng)資金、中國博士后科學(xué)基金及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。
圖1.工程活材料集成了生命的各種動(dòng)態(tài)特征,如生物合成、自我生長、自我組織、自我修復(fù)和感知與響應(yīng)環(huán)境等。工程活材料現(xiàn)已擴(kuò)展到各種可持續(xù)應(yīng)用,包括綠色能源的生物生產(chǎn)、污染物的生物修復(fù)、生物磚的制作以及作為醫(yī)療材料用于檢測和治療慢性疾病等。
圖2 用于工程設(shè)計(jì)自組織活材料的合成生物學(xué)策略:定制材料基因模塊;整合基因傳感線路;設(shè)計(jì)同種群細(xì)胞或跨物種的細(xì)胞通信系統(tǒng)。
圖3 工程雜合活材料的示意圖。細(xì)菌、酵母、植物和哺乳動(dòng)物細(xì)胞等生命系統(tǒng)可以與非生命成分(如聚合物水凝膠、半導(dǎo)體和無機(jī)礦物等)整合,使用先進(jìn)的制造技術(shù)(如3D打?。┥a(chǎn)雜合活材料。
圖4 活材料生產(chǎn)系統(tǒng)涉及人類日常生活的許多方面。工程化的微生物、植物和動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)的材料應(yīng)用廣泛,包括生物塑料、生物皮革和紡織品、動(dòng)物產(chǎn)品替代品、生物修復(fù)和負(fù)排放、食品涂層、種子包衣、建筑材料以及染料和顏料等。
圖5 類似于種子成長為大樹并開花結(jié)果,工程活材料可通過基因編程的細(xì)胞自我生長所得。收獲的活材料(各式各樣的日用產(chǎn)品)可直接進(jìn)入人類生活,提高社會(huì)的可持續(xù)性。
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