上科大钟超组开发出可编程可3D打印的生物被膜活体功能材料

责编丨迦溆

细菌生物被膜通常由细菌及其胞外分泌物质（如蛋白质、多糖、DNA）组成。近年来，基于大肠杆菌的可编程生物被膜被当成一种具有活体特征的功能材料（living functional materials）来应用，表现出很多传统材料不具有的性能，比如可基因编程，多功能、环境响应、自适应性以及可进化等特征。

今年年初，上海科技大学物质学院材料和物理生物部钟超课题组证明光感应细菌生物被膜可应用于动态自组装材料领域，能将溶液中悬浮的无机纳米颗粒按预先设定的方式有序地组装无机纳米颗粒和相应的电子装置【1】。然而，由于大肠杆菌自身的蛋白分泌能力不足以及潜在的安全性等问题【2,3】，基于大肠杆菌生物被膜活体功能材料的开发和应用受到了严重限制。

2018年12月3日，钟超课题组在前期的基础之上近日在Nature Chemical Biology上在线发表了题为Programmable and printable Bacillus subtilis biofilms as engineered living materials的论文，在开发可编程可3D打印细菌生物被膜活体功能材料方面取得重要进展。

针对当前大肠杆菌生物被膜活体材料存在的潜在问题，钟超课题组在这项研究中理性选择了枯草芽孢杆菌作为工程改造对象。枯草芽孢杆菌是一种革兰氏阳性菌，只有一层细胞壁，在食品和制药工业中因其强大的分泌能力而被广泛采用，同时这种细菌是一种被FDA认为安全的菌种【4】，因此其蛋白分泌能力和安全性理论上要比一般的大肠杆菌优越很多。课题组利用合成生物学和材料科学交叉手段，首次成功搭建和表征了基于枯草芽孢杆菌TasA淀粉样蛋白的活体生物被膜材料。

图1. 可编程可打印的枯草芽孢杆菌生物被膜活体材料示意图。

在最新的这项研究中，研究人员首先采用基因工程手段将不同功能的蛋白或结构域通过TasA融合表达并分泌，验证了融合了不同结构域的TasA淀粉样蛋白都可以被表达、胞外分泌并在细菌周边自组装形成具有不同功能的胞外纳米纤维（被证明可分泌的最大融合蛋白含有603个氨基酸）。

图2. 可以3D打印的基因工程改造的生物被膜。

为了证明这个活体材料平台的应用前景，研究人员将融合了特定功能酶的枯草芽孢杆菌生物被膜和铆钉在生物被膜上的金纳米颗粒相结合，设计出新型的杂化催化级联反应，并将此级联反应用于环境生物修复，最后能将剧毒的有机磷农药降解为低毒害化学品。

具体来说，表达了TasA-OPH的生物被膜（有机磷水解酶，OPH）可以降解农药对氧磷（PAR）将其转变为危害较小的中间产物对硝基苯酚（PNP），接着通过锚定在生物被膜上面的金纳米颗粒（AuNPs）可以进一步催化PNP并将其降解为低毒害的对氨基苯酚（PAP）。这种活体细胞／无机杂化催化体系的建立为活体功能材料在生物修复、人工光合等方面的应用提供了很好的示范作用。

图3. 工程化的生物被膜作为活体功能化材料应用。

此外，研究人员还发现，利用基因工程不仅能改变枯草芽孢杆菌生物被膜的成份及生化功能，还能通过改变这些成份进一步调节生物被膜本身的机械性能（比如粘弹性）和物化性质（比如亲疏水性）。被改造后的生物被膜展现出更适宜生物制造的凝胶胶体性质，可以通过3D打印精确地制成不同的三维形状。另外，实验证明这些活体材料不仅本身可以直接3D打印也可以与量子点混合打印（图4a），并且打印成型的活体材料在水凝胶中能感应溶液中的外界信号发出荧光（图4b），因此可以作为生物传感器来应用（图4c）。

图4. 可3D打印并可感应信号及再生（Regeneration）的生物被膜。

生物被膜展现出来的这些机械性质对于未来用作不同用途的生物制造以及更安全包装活细菌材料来说具有重要参考意义。此外，值得一提的是，作为活体材料，这些工程改造后的生物被膜即使储存很久后仍具有自我再生的特性， 并且具有传代后仍保留原有物理和机械性质的特征，因此展现出传统材料不具有的“活体”特征。这项研究促进了活体功能材料这一新兴领域的发展，将为活体功能材料的应用拓阔了思路。

据悉，本文第一作者为上科大物质学院助理研究员黄娇芳博士、2015级博士生刘苏莹和2015级硕士生张琛。通讯作者为钟超助理教授，上科大为第一完成单位。

活体功能材料是合成生物学和材料科学交叉领域的新兴研究方向（emerging field)，早在2018年3月，Nature系列杂志专栏作家Philip Ball曾受邀美国材料协会（Materials Research Society)就这一方向全球活跃的研究人员进行专访并在其会刊MRS Bulletin写成一篇领域综述和展望文章(Ball, P. Synthetic biology—Engineering nature to make materials. MRS Bulletin 43, 477-484 (2018))，钟老师作为领域的代表就生物被膜活体功能材料的发展发表了个人的见解和观点，而当前这篇文章的发表正是国际上这一新兴领域迅速发展的一个缩影。

注：本文的原始菌株来自美国印第安纳大学D. Kearns课题组的馈赠。课题在开展过程中，得到了华东师范大学叶海峰教授、中科院上海应物所樊春海教授（现上海交通大学）以及美国麻省理工学院Timothy K. Lu教授及课题组成员的帮助。透射电镜和荧光显微镜表征分别获得国家蛋白质中心和上科大生命学院成像平台以及物质学院分析测试平台的帮助。与本论文相关的工作已申请中国和国际专利（CN/201611156490.X 和 PCT/CN2018/100538)。

参考文献：

1. Wang, X. et al. Programming Cells for Dynamic Assembly of Inorganic Nano-Objects with Spatiotemporal Control.Adv Mater30, e1705968 (2018).

2. Chen, A.Y. et al. Synthesis and patterning of tunable multiscale materials with engineered cells.Nat Mater13, 515-523 (2014).

3. Nguyen, P.Q., Botyanszki, Z., Tay, P.K. & Joshi, N.S. Programmable biofilm-based materials from engineered curli nanofibres. Nat Commun5, 4945 (2014).

4. Liu, L. et al. Developing Bacillus spp. as a cell factory for production of microbial enzymes and industrially important biochemicals in the context of systems and synthetic biology.Appl Microbiol Biot97, 6113-6127 (2013).