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鍾超教授的澳门新濠天地材料科學澳门新濠天地研究組在生活功能材料的開發方面取得了重要進展。 2018年12月4日 ,北京時間,相關結果在國際知名學術期刊《Nature Chemical Biology》(自然·化學生物學)網上發表,題爲“可編程和可印刷的枯草芽孢桿菌生物膜作爲工程生物材料”。

細菌生物膜通常由細菌及其細胞外分泌物(如蛋白質,多糖,DNA)組成 。近年來,基於大腸桿菌的可編程生物膜已被用作具有生命特徵的活體功能材料  ,顯示出傳統材料中不具備的許多性質 ,例如基因編程,多功能 ,環境響應,適應性和進化等特徵。在中超研究組的早期階段 ,已經證明光敏細菌生物膜可以應用於動態自組裝材料領域,懸浮在溶液中的無機納米粒子可用於組裝無機納米粒子和相應的電子設備以預定的方式。http://www.shanghaitech.edu.cn/2018/0425/c1001a22039/page.html) 。然而,由於缺乏蛋白質分泌能力和大腸桿菌本身的潛在安全性,基於大腸桿菌生物膜的生物材料的開發和應用受到嚴重限制 。

針對目前大腸桿菌生物膜生物材料的潛在問題 ,研究人員在本研究中合理選擇了枯草芽孢桿菌作爲工程對象。枯草芽孢桿菌是一種革蘭氏陽性細菌 ,只有一層細胞壁。由於其強大的分泌能力  ,它被廣泛用於食品和製藥工業。同時 ,這種細菌也是FDA認爲安全的一種菌株 ,因此其理論上它的蛋白質分泌能力和安全性遠優於一般的大腸桿菌。研究人員首次使用合成生物學和材料科學,成功地構建和表徵了基於枯草芽孢桿菌TasA澱粉樣蛋白的活體生物膜材料 。

研究小組首先使用基因工程通過TasA融合表達和分泌不同的功能蛋白或結構域 。經證實 ,具有不同結構域的TasA澱粉樣蛋白可在細胞內表達,分泌  ,在細菌中自組裝形成不同的功能 。細胞外納米纖維 。爲了證明這種生物材料平臺的應用前景,研究人員將枯草芽孢桿菌生物膜與特定功能酶和金納米粒子鉚釘結合在生物膜上 ,設計出一種新型的雜化催化級聯反應  。該級聯反應用於環境生物修復 ,並最終可將高毒性有機磷農藥降解爲低毒性化學品 。這種活細胞/無機雜化催化體系的建立爲生物功能材料在生物修復 ,人工光合作用等中的應用提供了良好的示範作用。

鍾超的研究小組進一步發現 ,利用基因工程不僅可以改變枯草芽孢桿菌生物膜的組成和生化功能 ,還可以進一步調整生物膜本身的力學性質(如粘彈性)和理化性質(如親水性)。 。改性生物膜具有凝膠狀特性,更適合生物製造 ,可通過3D打印精確製作成三維形狀。實驗表明 ,這些生物材料不僅可以直接以3D打印,還可以與量子點混合。印刷的生物材料可以感知水凝膠中溶液中的外部信號,並且可以用作生物傳感器 。生物膜表現出的這些機械性能對於不同用途的未來生物製造和活細菌材料的更安全包裝更有價值 。值得一提的是,作爲生物材料 ,這些工程生物膜即使在長期儲存後也具有自我再生特性 ,並且在通過後保持原有的物理和機械性能 。因此,它具有傳統材料所沒有的“生活”特徵 。本研究將拓寬生活功能材料應用的思路。 TR

本文第一作者是材料澳门新濠天地助理研究員黃嬌芳博士 ,劉素英博士 。 2015年的學生 ,2015年的研究生張偉 。鍾超是通信的作者 ,尚科達是第一個完成單位。該研究得到了上海市科學技術委員會 - 基礎研究項目(合成生物學專項) ,國家自然科學基金 ,青島海洋科學與技術國家實驗室 - 2016年開放基金和上海科技大學創業基金的支持。基金  。

該項目的原始應變是印第安納大學D. Kearns團隊的禮物 。在項目過程中 ,華東師範大學葉海峯教授,中國科澳门新濠天地上海研究院(現上海交通大學)範春海教授和麻省理工澳门新濠天地教授Timothy K. Lu及其成員研究小組得到了幫助  。透射電子顯微鏡和熒光顯微鏡分別由生命科學澳门新濠天地的國家蛋白質中心和成像平臺以及材料研究所的分析測試平臺提供幫助 。與本文相關的工作已申請中國和國際專利(CN/201611156490.X和PCT/CN2018/100538)。

注意:活體功能材料是合成生物學和材料科學領域的一個新興研究領域。早在2018年3月 ,Nature系列雜誌專欄作家Philip Ball就受到了材料研究學會的邀請。這是對全球活躍的研究人員的訪談,以及在其期刊MRS Bulletin(Ball,P 。Synthetic biology-Engineering nature to making materials.MRS Bulletin 43,477-484(2018))中的實地審查和前瞻性文章。作爲該領域的代表 ,鍾先生就生物膜功能材料的發展發表了自己的個人見解 。本文的出版代表了世界上這一新興領域快速發展的一個縮影 。 TR

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41589-018-0169-2

圖1.可編程可印刷的枯草芽孢桿菌生物膜生物材料的示意圖 。

圖2.可以3D打印的基因工程生物膜 。

圖3.可以3D打印的生物膜,可以感知信號和再生  。

圖4.第一作者和通訊員鍾超教授的照片(從左到右:劉素英 ,鍾超  ,黃嬌芳,張偉)

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