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“活材料”成合成生物学新宠儿 将生命世界与无生命世界结合在一起

摘要 : 生物是名副其实的建筑大师。螃蟹能装配贝壳,珊瑚能积累礁石,人体组织能建造骨骼。现在,合成生物学家可以控制整个建造过程。来自美国马萨诸塞州的研究人员近日在《自然—材料学》期刊上宣布,他们重组了细菌的基因回路,以建造电子和光学材料,以及它们内部的活细胞。

 生物是名副其实的建筑大师。螃蟹能装配贝壳,珊瑚能积累礁石,人体组织能建造骨骼。现在,合成生物学家可以控制整个建造过程。来自美国马萨诸塞州的研究人员近日在《自然—材料学》期刊上宣布,他们重组了细菌的基因回路,以建造电子和光学材料,以及它们内部的活细胞。

加入aTc后,大肠杆菌产生了纤维

加入aTc后,大肠杆菌产生了纤维。图片来源:K. SUTLIFF/science

新材料虽然无法与传统的电子器件一较高下。不过,外部研究人员表示,该功绩提供了最小限度的帮助,为彻底使用基因工程改良的生物体建造复合材料打开了一扇新大门。“这是一个极为出色的研究。”未参与该研究的北卡罗来纳州达拉谟市杜克大学生物医学工程师Lingchong You说。

传统制造业主要为能源密集型产业,通常具有污染性且对工人有害。“假如我们能够驾驭细胞的力量(建造结构),我们就能使得整个过程‘变绿’。”You说。此外,由于生物体在诸多不同尺度下都能够建造材料,例如人类身体骨骼结构分别有纳米级、微尺度和米级,这项新研究将可能为工程材料添加新的复杂性。

该研究并非首个尝试将工程改良生物体与材料相结合的研究。例如,1999年,目前供职于麻省理工学院(MIT)的Angela Belcher及其同事,改造了病毒,以装配半导体纳米粒子。之后,Belcher研究小组转而设计病毒建造从锂电池和光伏电板电极,到能分解水产生氢燃料的催化剂等各种材料。

但由于病毒不具备自己的细胞机器,他们制造的这些材料不是活的。这也就意味着,它们无法像细菌那样响应外部环境。

MIT合成生物学家Timothy Lu及其同事进行的新研究将之前一些迥然不同的领域结合在一起。“我们的想法是将生命世界和无生命世界结合在一起制作混合材料,这些材料具有活的细胞以及功能性。”Lu说。

他们选择从大肠杆菌入手,这种细菌能自然合作生产不同表面顶端的薄片状生物膜。这种细菌能通过分泌一种名为卷曲菌毛纤维的蛋白质将这些薄膜束缚在一起。由名为CsgA的蛋白亚基重叠组成的这种纤维能将这种细菌彼此黏合及附着到表面。

在相关实验中,该研究小组首先破坏了允许大肠杆菌细胞制造CsgA的遗传途径。取而代之的是一种经改造的遗传回路,只有当研究人员添加化学触发剂(一种AHL分子)时,该细菌才能产生CsgA。

然后,Lu等人设计了一批不同的大肠杆菌,这些细菌能产生蛋白质链或氨基酸较短的CsgA,并包含多重能束缚金属粒子的组氨酸氨基酸。而这些细菌只有在响应其他化学触发物(aTc)时才会表达组氨酸标识的CsgA。当aTc被加入后,大肠杆菌沉入一片薄膜,并抓住研究人员撒入烧杯的金纳米粒子,然后创建一个能导电的网络。

该研究小组同时培养了两批大肠杆菌,以便通过在不同时间添加AHL和aTc改变薄膜的构成。在这种情况下,变化的合成物虽没有添加新功能,但为绑定其他材料奠定了基础。在一个单独实验中,研究人员使用不同的缩氨酸和化学触发剂制作了能诱捕名为量子点的微小半导体粒子的细菌,原因在于其生物膜的光学性质被改变。

现在,Lu希望能利用合成生物学的最新进展,在这些研究中,研究人员编程细菌形成环形、栅栏和其他形状的“殖民地”。这能够为更复杂的体系结构奠定基础,这些结构可以充当电极、环境传感器和人造组织。最终,这些活着的材料可以制成设备,当损坏时能够自我修复。

另外,该技术也能被用于吸收镉等环境毒素,以及将材料重新用于复杂的光学和有机设备。它甚至在矿藏勘探中也有用途:例如,专门设计的细菌能从环境中收集黄金。但是,这些实验仍有很长的路要走。监管者还需要确信,进行基因改造的细菌在释放到环境中后不会造成风险。

原文摘要:

Synthesis and patterning of tunable multiscale materials with engineered cells

Allen Y. Chen, Zhengtao Deng, Amanda N. Billings, Urartu O. S. Seker, Michelle Y. Lu,Robert J. Citorik, Bijan Zakeri & Timothy K. Lu

Many natural biological systems—such as biofilms, shells and skeletal tissues—are able to assemble multifunctional and environmentally responsive multiscale assemblies of living and non-living components. Here, by using inducible genetic circuits and cellular communication circuits to regulate Escherichia coli curli amyloid production, we show that E. coli cells can organize self-assembling amyloid fibrils across multiple length scales, producing amyloid-based materials that are either externally controllable or undergo autonomous patterning. We also interfaced curli fibrils with inorganic materials, such as gold nanoparticles (AuNPs) and quantum dots (QDs), and used these capabilities to create an environmentally responsive biofilm-based electrical switch, produce golDNAnowires and nanorods, co-localize AuNPs with CdTe/CdS QDs to modulate QD fluorescence lifetimes, and nucleate the formation of fluorescent ZnS QDs. This work lays a foundation for synthesizing, patterning, and controlling functional composite materials with engineered cells.

来源: 中国科学报 浏览次数:104

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