6月15日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所鐘超團隊在國際知名學(xué)術(shù)期刊Accounts of Materials Research上，在線(xiàn)發(fā)表了特邀綜述文章“Programmable Bacterial Biofilms as Engineered Living Materials”，并入選Accounts of Materials Research雜志內頁(yè)封面文章。

文章上線(xiàn)截圖

文章討論了基于細菌生物被膜的新興工程活材料領(lǐng)域重要進(jìn)展，并對該類(lèi)材料的未來(lái)發(fā)展及挑戰應對提出新的觀(guān)點(diǎn)和思考。

為適應動(dòng)蕩的生存環(huán)境，細菌等微生物通常會(huì )分泌基于蛋白纖維（如大腸桿菌curli纖維）或多糖（如醋酸桿菌的細菌纖維素）的胞外基質(zhì)將其包裹，形成一種非游離狀態(tài)的細菌-胞外基質(zhì)聚合體，稱(chēng)為生物被膜。細菌生物被膜展現出的極高的穩定性、抗逆性以及組分功能的可編程性，在合成生物學(xué)與材料科學(xué)的交匯處，細菌生物被膜正被作為一種經(jīng)濟便捷的設計平臺，創(chuàng )造能夠重現自然材料“生命”動(dòng)態(tài)屬性的工程化活材料（ELMs）。目前開(kāi)發(fā)的活性生物被膜材料在建筑、醫療、能源和環(huán)境等領(lǐng)域均展現出廣闊應用前景（圖1）。

圖1 配圖入選Accounts of Materials Research雜志內頁(yè)封面（畫(huà)師：尹中川）

在這篇文章中，作者們凝練了天然生物材料的6大活體動(dòng)態(tài)特征：自生長(cháng)、自組裝、自修復、環(huán)境適應、自我重塑以及可進(jìn)化。以這些特征作為自然仿生程度的評價(jià)標準，目前開(kāi)發(fā)的生物被膜活材料可劃分為三大類(lèi)別：自組裝活材料、環(huán)境響應型活材料，以及活體復合材料（圖2）。自組裝活材料主要利用細菌所分泌的可自組裝的蛋白或多糖類(lèi)胞外基質(zhì)，通過(guò)基因改造其單體組分定制生物被膜的功能。比如將病毒粘附多肽C5與curli蛋白重組，編程設計的生物被膜具備了在水溶液中吸附并清除流感病毒的生物功能。

環(huán)境響應型活材料是指在微生物遺傳物質(zhì)中引入人工設計的傳感線(xiàn)路，從而賦予生物被膜材料動(dòng)態(tài)響應外部環(huán)境變化的能力。例如編碼可感知血液或硫代硫酸鹽傳感線(xiàn)路的益生菌活材料可應用于在腸道精準定位炎癥病灶并主動(dòng)發(fā)揮止血消炎作用。活體復合材料則是將基因改造的生物被膜與非活性或人工合成物質(zhì)結合，融合生物被膜的活體特征和合成材料的優(yōu)異特性。典型的應用包括雜合無(wú)機半導體顆粒的生物被膜用于光合固碳或產(chǎn)氫以及利用可生物礦化的工程生物被膜批量生產(chǎn)環(huán)保磚等可持續應用。

圖2 基于細菌生物被膜的三類(lèi)工程活材料：①自組裝活材料；②環(huán)境響應型活材料；③活體復合材料

結構與功能從簡(jiǎn)單到復雜，自組裝活材料、環(huán)境響應型活材料，以及活體復合材料三類(lèi)材料的發(fā)展循序漸進(jìn)、逐級過(guò)渡：自組裝活材料是基礎，其保留了生物被膜自生長(cháng)、自組裝和自修復的活體特征；進(jìn)一步基因傳感線(xiàn)路的整合，誕生的響應型活材料則具備感知與響應特定外部環(huán)境信號的能力；活體復合材料則是在前兩類(lèi)材料基礎上，結合非活性功能成分，增強活材料的重塑性并拓寬材料的應用范圍。

文章詳細介紹了這三類(lèi)基于生物被膜的活材料，突出了它們各自的設計策略和重要應用。此外，針對基于生物被膜活材料的應用挑戰，文章對如何進(jìn)一步提升材料性能以及如何促使活材料實(shí)現現實(shí)世界應用提出新的見(jiàn)解。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所鐘超研究員與安柏霖副研究員為共同通訊作者，王艷怡副研究員及博士后張倩為共同第一作者。科研助理葛昌浩、劉雨竹，上海科技大學(xué)教授鄭宜君、博士后蔣曉宇、碩士研究生陳邵杰，以及哈佛大學(xué)Wyss研究所博后唐子杰等對本文撰寫(xiě)也做出重要貢獻。該工作獲得了包括國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家杰出青年自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合項目、深圳市材料合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室等項目的支持。