Advanced Materials | 深圳先進(jìn)院卞光凱:探索合成生物學(xué)在工程活體材料中的應(yīng)用和前景
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所卞光凱研究員在國際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials在線發(fā)表題為Exploring the Application and Prospects of Synthetic Biology in Engineered Living Materials的綜述。文章從合成生物學(xué)和材料科學(xué)的角度,全面概述了來源于細(xì)菌、真菌和植物的工程活體材料(ELMs)在環(huán)境修復(fù)、生態(tài)友好型建筑和可持續(xù)能源應(yīng)用領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和新興設(shè)計(jì)策略,并對(duì)未來合成生物學(xué)在指導(dǎo)ELMs的設(shè)計(jì)和制造方面的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)進(jìn)行了深入討論。深圳先進(jìn)院博士后王起文、研究助理李志璇和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)客座博士研究生胡哲輝為共同第一作者,深圳先進(jìn)院卞光凱研究員為文章最后通訊作者。
ELMs具有自我生長、自我修復(fù)、環(huán)境適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)等特性,賦予了ELMs獨(dú)特的功能。然而,隨著需求多樣化和材料應(yīng)用場景的復(fù)雜化,現(xiàn)有ELMs的功能顯然無法完全滿足,這促使研究人員積極尋求具有突破性性能的新材料。合成生物學(xué)的快速發(fā)展激發(fā)了生物材料領(lǐng)域的創(chuàng)新熱情,它將合成生物學(xué)的“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)”方法與材料科學(xué)原理相結(jié)合,通過自下而上和自上而下的策略設(shè)計(jì)和改造生物活體材料,為細(xì)菌、真菌、植物來源的ELMs引入新的功能(圖1)。主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:1) ELMs可動(dòng)態(tài)響應(yīng)外部刺激,并在特定時(shí)間和空間內(nèi)智能調(diào)節(jié)功能;2) ELMs的原有功能可以增強(qiáng),也可以引入全新的功能;3) ELMs的應(yīng)用具有環(huán)境友好性和可持續(xù)性。這些優(yōu)勢凸顯了合成生物學(xué)在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)感知、智能調(diào)節(jié)、高效、多功能和環(huán)??沙掷m(xù)ELMs方面的潛力。這些創(chuàng)新使得ELMs將能夠滿足人們對(duì)更高級(jí)功能和性能的需求,并推動(dòng)動(dòng)態(tài)材料領(lǐng)域的發(fā)展。
合成生物學(xué)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和制造的ELMs在環(huán)境監(jiān)測和生物修復(fù)方面具有智能精確、高效和綠色可持續(xù)的特點(diǎn),優(yōu)于通過化學(xué)或物理方法合成的傳統(tǒng)材料。在環(huán)境檢測和修復(fù)應(yīng)用中,細(xì)菌、真菌和植物ELMs采用不同的設(shè)計(jì)策略,具有各自獨(dú)特的功能。細(xì)菌方面:1)通過基因編程調(diào)節(jié)細(xì)菌的生物礦化過程,以沉淀礦物質(zhì)的形式提供修復(fù)功能;2)利用合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的基因傳感電路構(gòu)建全細(xì)胞生物傳感器,賦予工程細(xì)菌智能環(huán)境響應(yīng)能力,以檢測和修復(fù)污染物。此外,將它們與生物相容性支架材料相結(jié)合,可提高ELMs的實(shí)用性。對(duì)于真菌:1)調(diào)節(jié)真菌細(xì)胞壁成分可影響真菌對(duì)目標(biāo)分析物的吸附;2)真菌生物傳感器在環(huán)境檢測領(lǐng)域發(fā)揮重大作用,通過調(diào)整菌絲的傳感基因表達(dá)和信號(hào)網(wǎng)絡(luò),提高對(duì)特定化學(xué)物質(zhì)或環(huán)境變化的敏感性和選擇性。合成生物學(xué)在開發(fā)基于植物的生物傳感器方面顯示出巨大的潛力,這些傳感器可以直接或間接地感知周圍環(huán)境的變化,包括植物激素、次生代謝物和微生物。包括轉(zhuǎn)錄因子、核糖開關(guān)調(diào)節(jié)器和功能酶在內(nèi)的各種分子成分可與選定的熒光蛋白結(jié)合用作生物傳感器,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌病原體和環(huán)境污染物的檢測(圖2)。總之,通過合成生物學(xué)的指導(dǎo),ELMs在環(huán)境監(jiān)測和生物修復(fù)方面展現(xiàn)了巨大的潛力,為實(shí)現(xiàn)智能、精確、高效和可持續(xù)的材料應(yīng)用提供了新的途徑。
未來的建筑將是可持續(xù)的、可修復(fù)的、環(huán)保的,將生態(tài)與美學(xué)完美結(jié)合,這突破了傳統(tǒng)建筑材料的局限。對(duì)于應(yīng)用于建筑的ELMs來說,它們在制造速度、機(jī)械強(qiáng)度、耐久性、粘合強(qiáng)度、生物功能維護(hù)和自我修復(fù)能力等方面都超過了傳統(tǒng)材料。例如,細(xì)菌混凝土和真菌生物磚展現(xiàn)了智能修復(fù)的卓越能力,植物通過其碳封存能力加固建筑結(jié)構(gòu),提高美學(xué)價(jià)值(圖3)。當(dāng)前,雖然構(gòu)建完全由ELMs構(gòu)成的建筑仍有挑戰(zhàn),但在合成生物學(xué)的引導(dǎo)下,未來可能實(shí)現(xiàn)由細(xì)菌、真菌和植物ELMs協(xié)作構(gòu)建的“生命融合建筑”,這將成為建筑領(lǐng)域的重要突破。
在尋求可持續(xù)能源的過程中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些具有電活性的微生物可以在分解有機(jī)物或氧化生物質(zhì)中的無機(jī)化合物時(shí)產(chǎn)生電子,而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。這啟發(fā)了研究人員積極探索微生物燃料電池(MFC)的可能性。為提高工程發(fā)電微生物的性能,常采用兩種策略:一種方法是利用合成生物學(xué)技術(shù)優(yōu)化微生物的電子傳遞途徑和電子產(chǎn)生效率;另一種方法是將細(xì)菌與高性能人工導(dǎo)電材料相結(jié)合。此外,研究人員還成功地在植物中引入了發(fā)光離子或整合了發(fā)光基因,創(chuàng)造出生物發(fā)光植物,最大限度地利用光合作用產(chǎn)生的剩余能量(圖4)。通過整合這些進(jìn)展中的多種生物電路,有望進(jìn)一步改進(jìn)能源收集,推動(dòng)高效清潔能源的生產(chǎn)。
本綜述從合成生物學(xué)和材料科學(xué)的角度,對(duì)來源于細(xì)菌、真菌和植物ELMs在環(huán)境修復(fù)、生態(tài)友好型建筑和可持續(xù)能源應(yīng)用領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和新興設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了探討。雖然合成生物學(xué)的指導(dǎo)下的ELMs取得了許多顯著進(jìn)展,但仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先,很多ELMs都是基于單一細(xì)菌的,真菌和植物構(gòu)建的ELMs相對(duì)較少,限制了多功能ELMs的聯(lián)合應(yīng)用。其次,在細(xì)菌ELMs中設(shè)計(jì)復(fù)雜的基因電路成功率低、工作量大,而在真菌和植物中開發(fā)此類方法主要受限于轉(zhuǎn)化率低和長細(xì)胞生命周期。第三,ELMs的穩(wěn)定性和性能還需要進(jìn)一步提高。第四,由于ELMs 在大規(guī)模生產(chǎn)、倫理道德和生物安全方面仍存在問題,制約了其在工業(yè)上的應(yīng)用。在未來,克服這些挑戰(zhàn)將推動(dòng)ELMs的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代,實(shí)現(xiàn)智能、可控、功能性和安全性ELMs的制造。這些ELMs將廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)能源開發(fā)、太空探索、疾病治療、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域,包括未來可能開辟的新領(lǐng)域。然而,要實(shí)現(xiàn)這一愿景,必須有效應(yīng)對(duì)當(dāng)前的挑戰(zhàn),并確保ELMs在各領(lǐng)域的成功融合。
本工作獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。

圖1 | 細(xì)菌,真菌,植物 ELMs 的設(shè)計(jì)理念、方法和應(yīng)用
圖2a | 細(xì)菌ELMs在環(huán)境監(jiān)測和修復(fù)方面的應(yīng)用實(shí)例
圖2b | 真菌ELMs在環(huán)境監(jiān)測和修復(fù)方面的應(yīng)用實(shí)例

圖2c | 植物ELMs在環(huán)境監(jiān)測和修復(fù)方面的應(yīng)用實(shí)例
圖3a | 細(xì)菌ELMs在生態(tài)友好型建筑方面的應(yīng)用實(shí)例
圖3b | 真菌ELMs在生態(tài)友好型建筑方面的應(yīng)用實(shí)例
圖3c | 植物ELMs在生態(tài)友好型建筑方面的應(yīng)用實(shí)例
圖4a | 細(xì)菌ELMs在可持續(xù)能源方面的應(yīng)用實(shí)例
圖4b |真菌ELMs在可持續(xù)能源方面的應(yīng)用實(shí)例
圖4c |植物ELMs在可持續(xù)能源方面的應(yīng)用實(shí)例
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