中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴卓君課題組與劉志遠(yuǎn)課題組合作，提出了一種全新的可快速修復(fù)的活體材料構(gòu)建思路，并進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化成一種普適的活體材料組合方法，推廣應(yīng)用于智能制造及可穿戴設(shè)備的組裝等全新領(lǐng)域。近日，相關(guān)成果發(fā)表于《自然—化學(xué)生物學(xué)》。

該成果是研究團(tuán)隊(duì)在合成生物學(xué)領(lǐng)域融合生物技術(shù)(BT)與信息技術(shù)(IT)的一次新嘗試。

實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的自修復(fù)能力

自修復(fù)材料并非是近些年來才提出的概念。此前，美國某服飾品牌就推出過能自動(dòng)修復(fù)的衣服材料，其原理非常簡(jiǎn)單——通過提高線的強(qiáng)度，使插入的鐵釘不能將線割斷而只是把線撥開。但這樣的材料局限性很大，面對(duì)銳器等造成的割裂，其修復(fù)功能便不能發(fā)揮。

此后，科學(xué)家將目光投向紡織品的涂層材料。魷魚的環(huán)齒(SRT)蛋白具有“自愈”性能，在覆蓋SRT蛋白涂層的紡織品上滴幾滴溫水，再把斷面重疊、按壓60秒左右，斷面就會(huì)重新連接。

然而，這一材料與理想的自修復(fù)材料仍有很大差距。簡(jiǎn)單來說，一方面，這樣的修復(fù)方式無法使斷裂面通過自修復(fù)而彌合;另一方面，提純后的蛋白材料也不再具有活細(xì)胞可編程的特性。

合成生物學(xué)的快速發(fā)展，使得利用智能生物活體材料實(shí)現(xiàn)自修復(fù)成為可能。不過，傳統(tǒng)的活體材料依靠微生物的生長(zhǎng)繁殖實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，這一過程往往耗費(fèi)數(shù)十小時(shí)甚至幾天的時(shí)間，漫長(zhǎng)的修復(fù)時(shí)間極大限制了其應(yīng)用。

這一次，研究團(tuán)隊(duì)決定從修復(fù)原理上另辟蹊徑。

通常，抗原和抗體分子在結(jié)構(gòu)上具有一定的互補(bǔ)性，它們通過分子間的作用力形成非共價(jià)結(jié)合，在極短時(shí)間內(nèi)就可發(fā)生特異的相互作用而穩(wěn)定結(jié)合。這種結(jié)合力可在外力破壞后迅速還原，快速實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。

“基于這一原理，我們分別構(gòu)建了表面有抗原和納米抗體的兩種工程菌株，再以一定比例將兩種菌株混合，通過抗原—抗體間的快速相互作用，制備出了穩(wěn)定的、具有高效自修復(fù)能力的LAMBA前體材料。”論文共同通訊作者戴卓君告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

由于LAMBA前體材料性質(zhì)與水凝膠相近，因此，通過傳統(tǒng)的材料加工工藝(如3D打印、微流控等)，就可以將LAMBA材料加工成形態(tài)、性能各異的材料。

“可編程”活體材料讓設(shè)備更智能

生物活體材料最大的優(yōu)勢(shì)之一就在于微生物強(qiáng)大的可編程能力。

“一方面，我們通過在兩種工程細(xì)菌表面展示酶和納米催化劑并將其制成LAMBA材料，成功地將農(nóng)藥的主要成分對(duì)氧磷降解為低毒害的對(duì)氨基苯酚。另一方面，我們?cè)谝环N細(xì)菌表面展示淀粉水解酶、在另一種細(xì)菌胞內(nèi)表達(dá)海藻糖合成酶，這樣一來，淀粉先被淀粉水解酶轉(zhuǎn)化為麥芽糖，然后麥芽糖作為底物再被運(yùn)輸?shù)搅硪环N工程菌胞內(nèi)被海藻糖合成酶轉(zhuǎn)化為海藻糖。”戴卓君說。

受LAMBA材料具備的超強(qiáng)自修復(fù)能力以及智能編程能力的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)其在可穿戴設(shè)備和生物傳感器上的應(yīng)用進(jìn)行了探究。

可穿戴設(shè)備通過檢測(cè)人體基本生理信號(hào)達(dá)到日常健康檢測(cè)、康復(fù)治療輔助等效果，良好的拉伸性能和導(dǎo)電性能，是其正常運(yùn)行的必要前提。研究團(tuán)隊(duì)通過測(cè)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使經(jīng)過反復(fù)循環(huán)拉伸，LAMBA材料的導(dǎo)電性能依然維持穩(wěn)定。在被破壞后，只需幾分鐘，LAMBA材料便會(huì)恢復(fù)原有性能。

此外，研究還顯示，柔性LAMBA電生理傳感器可準(zhǔn)確捕捉肌肉電信號(hào)，相比于相同方法制備的單菌或金薄膜傳感器，其顯示了更好的信噪比。

“作為柔性材料，LAMBA在應(yīng)變傳感器的制備中也具有顯著優(yōu)勢(shì)，與金薄膜制成的傳感器相比，柔性LAMBA應(yīng)變傳感器能更加均勻地反映形變程度。”戴卓君說。

BT與IT“碰撞”出無限可能

IT技術(shù)與BT技術(shù)是影響人類未來發(fā)展的兩大技術(shù)，一直以來，科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界對(duì)兩個(gè)領(lǐng)域相互融合、交叉研究充滿期待。

“我們希望通過該研究建立一種活體材料組裝新方法，在活體生物可編程的基礎(chǔ)上，引入高分子物理及化學(xué)合成理論，賦予微生物新的特性，使組裝的材料具有快速自愈合的特性。同時(shí)，我們初步嘗試了IT與BT的融合，也在推進(jìn)其他相關(guān)的各項(xiàng)有趣研究，期待并相信合成生物能夠帶來無限可能。”戴卓君說。

中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)教授樊春海表示，該工作在活體材料的設(shè)計(jì)與編輯中跨出了一大步。將高分子學(xué)科中積累的經(jīng)典體系跨學(xué)科地引入合成生物學(xué)，提示在未來的活體材料設(shè)計(jì)中，可以學(xué)習(xí)和借鑒其他材料科學(xué)的優(yōu)秀體系。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所首席科學(xué)家趙國屏表示，該成果聚焦活體功能材料領(lǐng)域，挑戰(zhàn)了活體材料分鐘內(nèi)自愈這個(gè)單純依靠細(xì)胞分裂無法實(shí)現(xiàn)的難題。值得一提的是，該工作進(jìn)一步將活體材料與多種可穿戴器件組裝在一起，如肌肉電信號(hào)傳感器以及壓力傳感器，突破了生命體與非生命器件的界限，拓展了活體材料的構(gòu)建框架和應(yīng)用領(lǐng)域，這是化學(xué)生物學(xué)及生物技術(shù)與材料科學(xué)和工程科學(xué)學(xué)科交叉“會(huì)聚”研究的一個(gè)范例。

研究人員表示，相信這種創(chuàng)新的“BT+IT”協(xié)同制造模式，必將帶來大的技術(shù)革新。(見習(xí)記者 刁雯蕙)

關(guān)鍵詞： 能自愈的活體材料 自修復(fù)能力 活體材料 可穿戴設(shè)備