工程活体材料的环境应用.pdf
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1、第6 2卷 第5期厦门大学学报(自然科学版)V o l.6 2 N o.5 2 0 2 3年9月J o u r n a l o fX i a m e nU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)S e p.2 0 2 3 h t t p:j x m u.x m u.e d u.c nd o i:1 0.6 0 4 3/j.i s s n.0 4 3 8-0 4 7 9.2 0 2 3 0 4 0 1 3环境功能材料与技术专题特约综述工程活体材料的环境应用任 磊1,2*,杜佳豪1(1.厦门大学材料学院,福建 厦门3 6 1 0 0 5;2.固
2、体表面物理化学国家重点实验室(厦门大学),福建 厦门3 6 1 0 0 5)摘要:合成生物学与材料科学的碰撞诞生了一种新的材料形式,即工程活体材料(e n g i n e e r e d l i v i n gm a t e r i a l s,E L M s),它由嵌入细胞外基质的活细胞或生物群落组成.与树木、皮肤等天然材料类似,E L M s不仅具有材料的属性,同时具有生命体的“活体”属性.它可以自我复制,自我生长,自我感知,还可以在受到外界刺激后行使特定的生物学功能.目前,E L M s在生物修复、绿色能源生产和智能材料制备等方面显示出很好的应用前景.本文总结了E L M s的设计方法及
3、其在促进可持续发展和缓解环境问题方面的应用.关键词:工程活体材料;合成生物学;材料科学;可持续性;环境修复中图分类号:Q8 1 2 文献标志码:A 文章编号:0 4 3 8-0 4 7 9(2 0 2 3)0 5-0 7 4 4-1 4收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 8 录用日期:2 0 2 3-0 6-2 1 基金项目:国家自然科学基金(U 1 9 0 4 2 0 6,3 2 2 7 1 4 6 9)*通信作者:r e n l e i x m u.e d u.c n引文格式:任磊,杜佳豪.工程活体材料的环境应用J.厦门大学学报(自然科学版),2 0 2 3,6 2(5):7 4 4-7
4、 5 7.C i t a t i o n:R E NL,D UJH.E n g i n e e r e d l i v i n gm a t e r i a l s f o re n v i r o n m e n t a l a p p l i c a t i o n sJ.JX i a m e nU n i vN a tS c i,2 0 2 3,6 2(5):7 4 4-7 5 7.(i nC h i n e s e)不可再生资源的快速消耗和工业化带来了严重的环境问题,寻找合适的方法解决环境问题已成为当今世界的核心问题.从自然界中获取灵感来治理环境问题是一种有效的方式,因为自然界的生物体
5、经过亿万年的演化已成为高效的生物工厂1.在这些生物体的生长代谢过程中,人类可以获得所需的生物材料和可再生能源.例如,聚羟基脂肪酸酯(p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e,P HA)这种可降解高分子材料已经在多种细菌中被发现2.同时,自然界中生物体的代谢活动也可以降解环境污染物.例如,I d e o n e l l a s a k a i e n s i s细菌可以降解塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯,并以降解产物为能量生存3.1 9 7 0年以来,基因工程的发展为生物工厂开辟新的可能.各种定制的代谢途径被引入细菌、真菌、植物,甚至动物细胞中,用来生产小分子(如
6、胰岛素、青蒿素等)和蛋白质材料(如蛛丝蛋白、胶原蛋白)4.2 1世纪初,随着合成生物学的出现,生物工厂获得了更大的发展.合成生物学集成了模块化、标准化等工程原理,显著提高了生物系统的可编程性5.人工设计的基因回路赋予生物体检测信号(如光、温度和化学分子)的能力,随之将检测到的信号转化为生理信号,并驱动生物执行预先设定的功能(如细胞迁移、细胞分化、生物合成等).因此,合成生物学技术整合了生命对外部信号的感知、处理和驱动能力,对于设计具有定制功能的生物材料具有深远的影响6.材料合成生物学是材料科学和合成生物学融合的新兴领域7,合成生物学与材料科学的碰撞诞生了一种新的材料形式,即具有独特“活”属性的
7、工程活体材料(e n g i n e e r e dl i v i n gm a t e r i a l s,E L M s).与天然来源或工业发酵生物质制成的传统生物材料不同,E L M s由嵌入细胞外基质中的活细胞或生物群落组成.通过对E L M s中的生物体进行基因编程可以控制材料的性质.得益于E L M s中来源于自然界的生物体,E L M s具有和生命一样的特征,包括自我生长、自我繁殖、自我修复、从生长环境中收集能量以及动态的环境响应.此外,E L M s的优势还在于其生产过程温和,并且可在自然条件下降解,不会对环境造成负担.因此E L M s成为绿色能源生产、污染物修复和生物制造的
8、理想材料8-1 0.本综述总结了E L M s的最新研究结果(图1),首先介绍用于设计E L M s的合成生物学技术,包括胞外聚合物修饰技术、微生物表面展示技术、基因回路设计;其次介绍用于设计E L M s的材料制备技术,包括提高E L M s中微生物活性以及E L M s的材料制备方第5期任 磊等:工程活体材料的环境应用h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n式;最后介绍E L M s在环境领域的最新发展以及未来的发展趋势.图1 E L M s的设计方案和环境应用F i g.1 T h ed e s i g ns c h e m e a n de n v i r o n
9、 m e n ta p p l i c a t i o no f t h eE L M s1 利用合成生物学技术设计与构建E L M s 合成生物学技术能够利用模块化、标准化等工程原理来构建基因回路从而设计细胞的行为,可将微生物的遗传信息进行重编程,使微生物成为具有特定功能的生物材料7-8.通过基因编程这种“自下而上”的合成生物学技术可构建工程微生物.目前常用的合成生物学的设计策略主要包括胞外聚合物修饰、微生物表面展示和基因回路设计.通过合理设计,越来越多的工程微生物已被用于生物传感、疾病治疗以及生物燃料等7,1 0-1 1.1.1 胞外聚合物修饰技术胞外聚合物是微生物在特定条件下分泌的高分子
10、聚合物,主要包括蛋白质和多糖1 2.利用合成生物学技术可通过在细胞中引入人工设计的基因回路实现对 胞 外 聚 合 物 的 修 饰.例 如 对 大 肠 杆 菌(E s c h e r i c h i a c o l i)的生物被膜修饰已经取得很大的成功.大肠杆菌生物被膜主要由c u r l i纤维和胞外多糖构成,其中c u r l i纤维占比8 0%左右1 3.2 0 1 4年以来,C h e n等1 4通过重编程大肠杆菌生物被膜的合成途径,合成了第一个E L M s.这种基于生物被膜的E L M s可以通过四环素诱导c u r l i纤维的表达来形成基于c u r l i纤维的图案.N a n
11、 i v a nG e r v e n等1 5进一步将多肽或蛋白质结构域附加到C s g A(大肠杆菌生物被膜c u r l i纤维的单体)上,开发了一种基于c u r l i纤维的展示平台.该研究证明生物被膜中的纳米纤维可以与不同种类的蛋白质相互融合,实现多种功能,如:将具有还原性的A 3肽融合表达在c u r l i纤维上可获得纳米金颗粒.后续的工作扩展了这种展示平台,开发了一系列基于大肠杆菌生物被膜的E L M s,并取得广泛的应用,包括水下胶水1 6、生物催化剂、电纳米材料、污染物 吸 附 剂 和 杂 化 生 物 材 料1 7-2 2 图2(a).S i v a n a t h a n
12、等2 4借助C s g A信号肽和过表达外膜蛋白C s g G,并利用c u r l i生物被膜分泌途径输出其他淀粉样蛋白 例如酿酒酵母(S a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a e)S u p 3 5.这 种 方 法 已 被 用 于 开 发 由 重 组 藤 壶(B a l a n u s)淀粉样蛋白组成的活体黏合剂和天蚕素A等蛋白药物的生产2 5.1.2 微生物表面展示技术细菌主要由细胞壁、细胞膜、细胞质和核质体等构成.其中细菌的细胞壁或细胞膜上都存在很多驻留蛋白,包括O m p A、i n t i m i n和H l y A c等蛋白.这些蛋白
13、可以作为锚定基序用于融合表达外源性的功能多肽或功能蛋白,从而将外源蛋白嵌入宿主细胞膜中2 6-2 7.值得注意的是,微生物的表面展示效率与被展示分子的大小和空间构象密切相关.因此,选择合适的表面展示系统对于制备E L M s至关重要.每个 大 肠 杆 菌 细 胞 可 以 表 达 多 达1 0万 个O m p A,因此与O m p A融合可以在微生物表面高密度展示功能蛋白2 6.S c o t t等2 8构建了一种可自组装的E L M s,其方法是将能与苄基鸟嘌呤(b e n z y l g u a n i n e,B G)形成共价键的S N A P-t a g同O m p A进行融合表达.这些
14、表面富含S N A P-t a g的工程大肠杆菌可以高效捕获B G,并可以进一步用于B G官能团化材料的组装.K i r p a tK o n a k等2 3将硅酸盐酶的重复序列R 5肽与大肠杆菌膜表面的A g 4 3蛋白融合表达,开发了一种用于S i O2沉积的工程菌 图2(b),并用于刺激人牙髓干细胞的分化.C h e n等2 9开发了一种活体导电材料,它由两种工程大肠杆菌组成:一种是表面展示纳米抗体 骆驼(C a m e l u s)重链抗体的可变结构域,另一种是表面展示抗原多肽,依靠抗原和纳米抗体的特异性结合,将两种大肠杆菌共价结合;进一步将金纳米颗粒与大肠杆菌表面的组氨酸结合,得到具
15、有导电特性的大肠杆菌.该大肠杆菌还可以与海藻酸钠凝胶形成活体导电凝胶材料,并可以制作可穿戴设备中的导电线.更有意思的是,得益于凝胶中的活体细菌,该凝胶导电线被切断时可以通过细菌的生长实现自愈合.547厦门大学学报(自然科学版)2 0 2 3年h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n除大肠杆菌外,在真核细胞中也发现了多种表面展示系统.酵母是常见的真核表达载体,常用的酵母表面 锚 定 蛋 白 有A g 1 p、A g a 2 p、C w p 1 p、C w p 2 p、T i p 1 p、F o l 1 p、S e d 1 p和P i r 1等3 0.酵母表面展示系统在筛选性
16、能优异的蛋白方面具有巨大潜力,包括蛋白质的结合亲和力、稳定性和催化活性等.W a n g等3 1通过将硅酸盐酶与酵母的C w p 1 p的N端融合表达开发了一种可再生的活材料,其表面展示的硅酸盐酶可以催化硅酸水解形成S i O2颗粒,从而形成S i O2-酵母的复合材料.由于酵母表面S i O2颗粒的疏水性和多孔结构,这种新型的活体材料可以吸附C r3+和正十六烷,从而实现环境污染物的吸附.(a)通过修饰细菌的胞外聚合物来构建E L M s2 2;(b)通过细菌表面展示技术构建硅酸盐矿化的E L M s2 3.图2 基于合成生物学技术构建E L M s的代表性示例F i g.2 R e p r
17、 e s e n t a t i v e e x a m p l e so f c o n s t r u c t i o no fE L M sb a s e do ns y n t h e t i cb i o l o g y t e c h n i q u e s1.3 微生物胞内纳米结构修饰在天然微生物中,已经进化出很多的纳米结构用于实现各种生物学功能,包括各种细胞器和蛋白质纳米颗粒等3 2.其中蛋白质纳米颗粒在E L M s领域受到越来越多的关注.在一些光合细菌中,存在一种充气的蛋白质纳米颗粒,这种蛋白质纳米颗粒被称为气囊.气囊可以通过充气和放气来调节细菌在水中的高度.气囊是一种有趣
18、的生物材料,可以在特定的条件下塌陷从而产生独特的声学信号,同时可以通过合成生物学技术将这种“声学报告基因”转入其他生物体.B o u r d e a u等3 3通过将编码气囊的基因异源表达在大肠杆菌和鼠沙门氏杆菌(S a l m o n e l l a t y p h i m u r i u m)中,从而获得在胃肠道或肿瘤部位的超声造影剂.F a r h a d i等3 4进一步将这种“声学报告基因”引入哺乳动物细胞,然后在哺乳动物细胞中产生气囊.这种气囊结构在被液体包围时反射声波,产生超声对比,使研究人员能够实时观察动物的细胞过程,例如实时基因表达.此外,细胞内气囊结构在作为测量酶活性的生物
19、传感器和超声触发药物递送的活体载体方面展现出巨大的前景.使647第5期任 磊等:工程活体材料的环境应用h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n用合成生物学技术生产的基因工程细胞可用于疾病部位的空间定位,然后通过超声处理细胞内表达的气囊使细胞破裂,原位释放药物3 5.未来基于气囊的E L M s可以用来定位病灶同时进行可控的治疗.1.4 基因回路设计基因回路是指利用现有的对基因和蛋白调控网络机制的研究来控制目的基因的表达.基因回路主要包括3个核心模块:传感、处理和输出.其中传感模块负责接收环境刺激并将其转换为特定的生理信号,处理模块负责精确处理输入的生理信号并向下游传输命令
20、以执行最终的细胞行为(例如细胞生长和生物合成等),因此传感和处理模块的设计至关重要.合成生物学技术可以在微生物中引入人工基因回路,使微生物执行预先设定的功能,从而使工程微生物的E L M s更可控、更智能1 1.已有研究通过对基因回路中3种模块的合理搭配开发了一系列人工基因回路,包括对化学分子的检测、对热或光的响应、对复杂的病原体检测和振荡系统.例如,M i m e e等3 6开发了一种可摄入的电子胶囊用于胃肠道出血的监测.该胶囊主要包括基于光电芯片的荧光识别模块和工程大肠杆菌.工程大肠杆菌集成了血红素传感的基因回路,可以在血红素存在的情况下激活荧光蛋白的表达;光电芯片可以将荧光信号输出为电信
21、号,从而实现远程监测体内的胃肠道出血.基因回路除作为生物传感器外,还可以通过简单地设置输出模块来外泌蛋白质或者聚合物,从而构建E L M s.J i n等3 7利用蓝光诱导形成图案化的E L M s,设计了一种工程大肠杆菌,可以在蓝光调控转录系统的调节下表达黏附蛋白A g 4 3,通过A g 4 3之间的黏附作用形成高分辨率的细菌图案.T a y等3 8开发了一种基于生物被膜的E L M s,可实现按需螯合重金属离子.在这项工作中,生物被膜的形成受H g2+调控,当H g2+进入细胞并与转录因子M e r R结合,M e r R对M e r R基因的启动子Pm e r R的抑制作用消失,从而使
22、工程化大肠杆菌开始分泌c u r l i纤维.这种E L M s具有动态响应性,即该活性工程菌在感知到H g2+时,可进一步分泌c u r l i纤维,外泌的c u r l i纤维可通过静电作用将H g2+吸附在工程大肠杆菌表面,从而实现按需进行环境生物修复的效果.微生物之间利用可扩散的信号分子如群体感应(q u o r u ms e n s i n g,Q S)分子进行信息交流,从而控制整个生物群落的行为.通过将细胞间通讯系统引入微生物来设计E L M s可以使材料实现自主的性能调控.W o o d等3 9将Q S系统引入大肠杆菌,当大肠杆菌的数量上升到一定程度时,细菌开始分泌Q S信号分子
23、,当Q S信号分子达到一定浓度时,其会触发B d c A蛋白的表达,B d c A可以诱导细菌生物被膜的分散,从而自主控制细菌生物被膜的厚度.除了利用Q S信号分子进行信息交流以外,降解Q S信号分子提供了另一种控制生物群落的方式.M u k h e r j e e等4 0构建了第二信使环鸟苷二磷酸(c y c l i cd i g u a n y l a t e,c-d i-GM P)的合成酶和水解酶基因回路,并将其引入大肠杆菌,设计了一种群体淬灭细菌,它可以通过上述基因回路来调控生物被膜生长.当群体淬灭细菌持续表达降解Q S信号分子的酰基高丝氨酸内酯酶(a c y l h o m o s
24、e r i n el a c t o n a s e,a i i A),可以降解微生物培养基中的高丝氨酸内酯(h o m o s e r i n e l a c t o n e,AH L),从而抑制其他细菌生物被膜的形成.除利用一种微生物进行E L M s的设计外,两种或多种微生物的共培养系统同样受到越来越多的关注.在自然界中,有多个微生物群落的微生物联盟广泛存在,具有代表性的一个例子是胃肠道的微生物联盟,它可以抵抗外来的病原微生物,促进食物消化,与人体和谐共生4 1.将微生物联盟用于E L M s的设计有两个重要的优势:1)微生物之间可以相互协作,从而使材料具有更复杂的功能;2)微生物之间可
25、以通过信号分子进行交流,从而使每种生物群落可以动态感知其他微生物群落.W a n g等4 2利用聚合物微胶囊对不同种类的微生物进行封装,从而构建微生物联盟.这种微胶囊封装的方式可以实现多种微生物亚群之间的精确控制,从而实现多种蛋白质的生物制造.有趣的是,这种策略还实现了光合微生物与大肠杆菌的共生微生物联盟,从而实现光合自养的微生物联盟.2 利用材料学方法设计与构建E L M s尽管E L M s具有动态响应和基因编程的特性,但是仅由活细胞制成的材料在实际应用中仍然受到许多限制,例如机械强度弱,微生物易受污染等.解决这些问题的一种策略是将活细胞嵌入非生物成分(例如聚合物水凝胶和无机矿物质)中,非
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