骨骼作为人体中最坚硬的组织，是 “活的” 还是 “无生命的”？站在合成生物学的角度，可以把骨骼看作一种 “活体功能材料”。
近日，杜克大学游凌冲团队与中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所戴卓君团队合作在 Nature Communications 发表了一项研究成果，结合工程细菌生产出了一种新型的活体功能材料 —— 由活细胞和聚合物组成的 “半互穿聚合物网络 (sIPN)”，材料的功能性可以通过对细菌进行编程实现。
游凌冲教授是杜克大学生物医学工程教授，主要从事合成生物学、机器学习、抗生素耐药性和微生物组研究。
图丨游凌冲教授（来源：Duke YouLab）
生辉 SynBio 采访到了论文的第一作者及共同通讯作者，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所副研究员戴卓君博士。她本科毕业于浙江大学，于香港中文大学化学系吴奇教授实验室取得高分子物理方向的博士学位后，在游凌冲教授实验室从事合成生物学相关的博士后研究。
2018 年，戴卓君博士回国并在中国科学院深圳先进技术研究院组建课题组开展独立研究，主要聚焦在两个研究方向，一是生物智能制造的方法构建，通过编辑细菌或功能菌群，并结合智能材料，实现多种大分子或小分子生物制剂的快速、灵活、高效生产。 
另一方向是利用工程细菌组装 “活的” 材料，通过编辑工程细菌赋予材料多种功能，例如酶催化及生物降解，并利用高分子物理及化学工具进一步强化材料性能。
图丨戴卓君博士（来源：受访者提供）
“活的” 材料
在近期的工作中，研究团队尝试结合工程细菌与高分子材料合成一种活体的半互穿聚合物网络 (sIPN)。
互穿网络聚合物（Interpenetrating Polymer Network，IPN）由两种或多种各自聚合交联的组分连续并相互穿透组成。在 IPN 中，如果仅有一种聚合物是交联的，另一种聚合物是线型非交联的，则称其为半互穿网络聚合物（semi-IPN）。
半互穿网络聚合物可以融合两组分的特性及优点，例如第一组分及第二组分分别具有温度及 pH 灵敏性，则半互穿网络聚合物会兼具两者的灵敏性。同时网络互穿的性质可有效地提高各组分的稳定性并调控其力学性能。
图丨传统 sIPN（a）与活体 sIPN（b）的合成（来源：研究论文）
在这篇研究中，微凝胶包裹了植入基因线路的两种大肠杆菌。微凝胶本身的交联网络提供第一组分，并作为物理支架支持工程细菌的生长。两种工程细菌在微凝胶中生长达到一定密度后，感知到微凝胶的物理空间局限从而自主裂解，释放出体内表达的两种蛋白单体，两种蛋白单体原位聚合，形成第二组分（聚合的蛋白）并与第一网络互穿（上图 b）。
“由于蛋白单体的可编辑性，我们可灵活的融合各种活性分子于蛋白单体上，组装成有各种活性蛋白模块的活体 semi-IPN。”
在此前的工作中，智能的微凝胶材料还可以感知细菌的生长，进行膨胀和收缩，可以把生物制剂从微凝胶内部运输到外部（Z Dai et al, Nature Chemical Biology volume 15, pages1017–1024 (2019)）。
“我们的测试表明，活体 semi-IPN 具有更好的机械性能，并具有抵御环境扰动的自修复性能。当把带有修饰酶的活体 semi-IPN, 与该酶的抑制剂短期或长期共同孵育时，我们发现普通材料的酶活性全部丧失，而活体 semi-IPN 极高的保存了酶的活性。”
“例如，当我们将抑制剂加入 10 分钟后，活体 semi-IPN 的活性迅速下降，但是当我们将材料重新放入培养基培养 24 小时后，其酶活性又可重新回到扰动前的水平，很好的体现了材料的自愈合性。”
首例与临床应用相关的研究
研究报道了首例在具有直接临床相关性的环境中使用活体功能材料的例子，利用具有分解抗生素功能的活体 sIPN，保护小鼠肠道菌群不受抗生素干扰。
β- 内酰胺类抗生素，如青霉素及其衍生物，是世界上最常用的抗生素之一，过度使用会破坏肠道菌群。研究人员在工程细菌的基因组中加入 β- 内酰胺酶基因，形成的活体 sIPN 就会具有 β- 内酰胺酶的功能，可以分解 β- 内酰胺类抗生素。
注射进小鼠体内后，工程细菌可以不断地合成酶，组装成活体 sIPN，分解肠道内抗生素，并且微凝胶可以在肠道复杂的环境中不被降解，保持稳定，因此活体 sIPN 对肠道具有显著的保护作用。
活体 sIPN 的应用不止于此，戴卓君博士补充道，通过融合不同的功能蛋白，可以产生具有不同活性的活体材料。例如，对于环境中的重金属铀，利用融合铀结合蛋白的活体 sIPN 可以对其进行螯合回收，还可以将微凝胶的尺寸做到厘米级，更便于实际操作，将活体 sIPN 回收，培养后还可再次使用。
在实际应用中，虽然大部分工程细菌是生存在微凝胶内，但仍会有一些细菌泄漏的风险，在游凌冲教授早期的研究中，已经可以做到让泄露的工程细菌死亡，基于这些研究，后续可以做出防逃逸系统等来解决泄漏的问题。
图丨工程细菌在高浓度时存活，低浓度时死亡（来源：Molecular Systems Biology）
工程细菌将扮演更多角色
近年来，随着合成生物学的发展，通过对基因线路的编辑，已经可以利用工程细菌制造材料，如 PHA 等。
戴卓君博士表示，与这类生产制造相比，在活体功能材料中，工程细菌的活体特性扮演了更多的角色。
活体功能材料一词最早由麻省理工学院生物工程、电子工程和计算机科学副教授卢冠达（Timothy K. Lu）团队提出，相关文章于 2015 年发表在 ACS Synthetic Biology 上。
此前，卢冠达课题组也进行了概念性的研究，将大肠杆菌合成生物被膜（一种由细菌自身分泌的多糖和蛋白组成的聚集膜样物，具有保护作用）的基因进行编辑，人工控制淀粉样蛋白组分的生物被膜的合成，并且可以融合具有特定功能的蛋白组分，通过与无机纳米颗粒结合，产生其原本不具有的特性，如导电功能等。
图丨利用活细胞合成并组装材料（来源：ACS Synthetic Biology）
这一思路提供了一个完全不同的性能材料合成范式，以分布式、自下而上、自主组装和环境友好的方式合成具有多功能、自愈性、适应性和进化特性的材料。目前活体功能材料的研究热点主要是可编程生物被膜、细菌纤维素以及通过系统复杂的编程控制细菌生成特定的图案和结构等。
活体功能材料也是当前合成所材料合成生物学中心重点发展的方向。聚焦于材料合成生物学交叉研究，该中心的核心目标是结合合成生物学、材料科学及其他工程领域中的工具和策略去发现、调控和发展生物系统新功能；发展能满足大众兴趣及社会利益的新型材料。
而这项研究将能够周期性自裂解、释放蛋白单体并组装聚合蛋白组分的工程细菌应用到半互穿聚合物网络的制造当中，开发了一种新的活体功能材料组装方法。
戴卓君博士告诉生辉 SynBio，由于目前活体 sIPN 中的工程细菌是在实验室培养条件下生长和存活，所以后续还需要验证在实际应用场景中，工程细菌能否利用环境中的碳源和氮源维持自身的存活。
“目前活体功能材料研究主要聚焦于生物被膜编辑，在过去的几年做出了很多进展，但是生物被膜的系统也具有一些缺陷，包括分泌能力局限、难以扩大培养等，一方面，我们希望通过设计细胞，包括基因线路和底盘，并结合已有的高分子化学与物理的手段与方法，去开拓活体材料组装的新范式，另一方面，除了催化、降解等活体材料已经实现的功能，我们也希望利用设计的材料去尝试更多的可能性，包括电子器件，可穿戴设备的开发等。”
参考资料：
  • https://www.nature.com/articles/s41467-021-23812-7
  • https://pubs.acs.org/doi/10.1021/sb500113b
  • https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/msb.20156567
-End-
点击关注生辉SynBio，专注于合成生物学科研及产业化的全链条内容和数据品牌↓↓↓
【往期】
藻类正成为合成生物学第三大支柱，澳洲初创靠光控可提升产能200%
合成生物学头部玩家榜单：10家顶级公司及8家后起之秀

独家专访丨生物制造企业酶赛生物完成亿元B轮系列融资，打造合成生物产业化平台

继续阅读
阅读原文
关键词
聚合物
活性
来源
合成生物学
系统