Nature Communications | 當(dāng)點擊化學(xué)遇見細(xì)菌纖維素:一種模塊化的生物活性材料裝配平臺
在生物材料設(shè)計與合成領(lǐng)域,如何像搭建樂高一樣,將多種截然不同的生物活性功能(如抗菌、促再生、催化等)精準(zhǔn)、牢固地“組裝”到一種材料骨架上,是實現(xiàn)復(fù)雜智能功能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。細(xì)菌纖維素(BC)具備天然三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)與優(yōu)異生物相容性,是理想的結(jié)構(gòu)基底,但其本征化學(xué)惰性使其長期處于“功能沉默”狀態(tài)。現(xiàn)有改性策略往往具有強耦合特征,容易在引入新功能的同時破壞材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)/生物學(xué)性能,從而難以實現(xiàn)多功能模塊的協(xié)同集成與可擴展迭代。
近日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成生物學(xué)研究所鐘超研究員、安柏霖副研究員,聯(lián)合上??萍即髮W(xué)鄭宜君教授與上海長征醫(yī)院葉添文教授團隊,在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表研究成果。研究團隊成功構(gòu)建了一種通用的“生物正交功能化”平臺,創(chuàng)新性地結(jié)合代謝糖工程與點擊化學(xué)策略(2022年諾貝爾化學(xué)獎),將BC轉(zhuǎn)化為可按需編程的“活性基座”,為其多功能集成與應(yīng)用拓展開辟了新路徑。該平臺允許研究人員將不同尺度的功能分子(從小分子藥物到大型蛋白質(zhì)酶)按需且共價地“安裝”到纖維素網(wǎng)絡(luò)中,從而自由定制材料的生物活性。這項工作不僅展示了按需制造抗菌、促細(xì)胞黏附、酶催化等多種功能材料的能力,更提供了一個強大的材料功能化新范式,有望廣泛應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)、生物傳感和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域。
讓細(xì)菌纖維素從“靜態(tài)材料”變身“可編程平臺”
面對細(xì)菌纖維素功能化的難題,研究團隊跳出“一材一用”的傳統(tǒng)改性思路,轉(zhuǎn)而從生命體系的精密組裝機制中汲取靈感,提出了一種“先編碼、再裝配”的兩步仿生策略。第一步,在材料合成階段進行“材料編碼”:在微生物發(fā)酵過程中引入攜帶化學(xué)手柄的非天然糖分子——疊氮化N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAz,含疊氮基團-N3)作為“功能磚塊”,被微生物直接摻入纖維素骨架,從而在不破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下賦予材料全局可反應(yīng)活性。第二步,在材料應(yīng)用階段進行“點擊裝配”:利用高效、特異且生物相容的點擊化學(xué)反應(yīng),將帶炔基(alkyne)手柄的多類功能分子按需“扣合”到BC骨架上,實現(xiàn)材料功能的模塊化、可編程擴展(圖1)。
這一策略的核心優(yōu)勢在于“生物正交性”:引入的疊氮基團在發(fā)酵過程中穩(wěn)定存在,不與生物系統(tǒng)發(fā)生干擾;而后續(xù)的點擊反應(yīng)條件溫和,能最大限度地保護功能分子的活性。這相當(dāng)于為細(xì)菌纖維素裝上了標(biāo)準(zhǔn)化的“萬能接口”,實現(xiàn)了功能模塊的“即插即用”。
“平臺”的構(gòu)建與多功能驗證
基于這一通用的“活性基座”,研究團隊構(gòu)建了多種功能差異顯著的復(fù)合活材料體系:
1)小分子抗菌分子集成:通過點擊化學(xué)偶聯(lián)光敏卟啉分子,賦予材料可控光響應(yīng)抗菌能力,在光照條件下可高效滅活細(xì)菌與真菌,使BC具備“抗菌防護外衣”;
2)細(xì)胞黏附多肽集成:進一步連接經(jīng)典RGD細(xì)胞黏附肽,顯著促進成纖維細(xì)胞黏附、鋪展與增殖,將材料轉(zhuǎn)化為支持組織修復(fù)與再生的“細(xì)胞友好基底”;
3)大分子蛋白質(zhì)集成:創(chuàng)新引入光催化溫和炔基化策略,實現(xiàn)蛋白質(zhì)的可控功能化修飾,并將熒光蛋白、辣根過氧化物酶(HRP)等完整且高活性地固定于BC上,獲得長期穩(wěn)定的蛋白功能輸出與生物催化能力。
平臺應(yīng)用場景的舉例展示:智能敷料應(yīng)對復(fù)雜傷口
為展示該平臺應(yīng)對復(fù)雜生物醫(yī)學(xué)問題的能力,研究團隊聚焦以高血糖、氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)為核心特征的糖尿病慢性創(chuàng)面。依托該平臺,團隊將葡萄糖氧化酶(GOx)與超氧化物歧化酶(SOD)兩種治療性酶在同一塊BC敷料上實現(xiàn)同步、穩(wěn)定的共裝配,構(gòu)建協(xié)同作用的“微型代謝調(diào)節(jié)器”。其中,GOx通過催化過量葡萄糖消耗,有效改善創(chuàng)面高糖微環(huán)境;SOD則快速清除活性氧(ROS),緩解氧化損傷并降低炎癥相關(guān)壓力。在糖尿病小鼠模型中,該雙酶功能化敷料顯著優(yōu)于傳統(tǒng)材料,表現(xiàn)為更高的創(chuàng)面閉合率與更充分的組織再生。該案例有力證明,該平臺可實現(xiàn)多種生物功能的模塊化集成與協(xié)同輸出,從而針對復(fù)雜病理微環(huán)境提供高效干預(yù)策略。
總結(jié)與展望
本研究突破了對單一材料體系或特定應(yīng)用的局部優(yōu)化,構(gòu)建了一個高度通用、可模塊化擴展的BC基生物材料功能化平臺。該平臺將合成生物學(xué)的“可編程設(shè)計”與材料化學(xué)的“精準(zhǔn)合成”深度融合,實現(xiàn)對BC性能的按需構(gòu)建與可擴展迭代:既可完成關(guān)鍵功能的“從0到1”賦能,也可實現(xiàn)多功能模塊疊加的“從1到n”拓展。得益于策略的普適性與開放式接口,該平臺的應(yīng)用前景不局限于生物醫(yī)用材料。未來通過接入傳感分子、催化酶、導(dǎo)電聚合物等多樣化功能模塊,有望在生物傳感、綠色催化、柔性電子與環(huán)境修復(fù)等方向形成新的技術(shù)路徑與應(yīng)用場景。
該研究亦獲得同行評議的高度認(rèn)可。審稿人評價指出:“該工作以點擊化學(xué)為核心工具,突破了細(xì)菌纖維素(BC)天然惰性、難以溫和改性的關(guān)鍵瓶頸,實現(xiàn)了在生長過程中引入可反應(yīng)側(cè)基的‘可點擊BC’,將BC從結(jié)構(gòu)材料拓展為可編程功能平臺。研究設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)、跨尺度驗證充分,是一項兼具原創(chuàng)性與工程轉(zhuǎn)化潛力的平臺型成果,為BC基工程活材料與生物醫(yī)用材料開辟了新的研究與應(yīng)用方向?!?/span>
本研究由中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室、合成生物學(xué)研究所鐘超研究員、安柏霖副研究員,上??萍即髮W(xué)鄭宜君教授與上海長征醫(yī)院葉添文教授共同指導(dǎo)完成。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院博士生陳劭杰(香港科技大學(xué)(廣州)聯(lián)培)與長征醫(yī)院博士生唐浩為共同第一作者。研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市醫(yī)學(xué)研究專項以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項目支持,并依托深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施與上??萍即髮W(xué)高性能計算平臺完成。

文章上線截圖
https://www.nature.com/articles/s41467-026-69130-8?sessionid=730524698

模塊化多功能集成平臺示意圖:從細(xì)菌纖維素到可定制的生物活性材料
附件下載: