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钟超教授的学院材料科学学院研究组在生活功能材料的开发方面取得了重要进展。 2018年12月4日,北京时间,相关结果在国际知名学术期刊《Nature Chemical Biology》(自然·化学生物学)网上发表,题为“可编程和可印刷的枯草芽孢杆菌生物膜作为工程生物材料”。

细菌生物膜通常由细菌及其细胞外分泌物(如蛋白质,多糖,DNA)组成。近年来,基于大肠杆菌的可编程生物膜已被用作具有生命特征的活体功能材料,显示出传统材料中不具备的许多性质,例如基因编程,多功能,环境响应,适应性和进化等特征。在中超研究组的早期阶段,已经证明光敏细菌生物膜可以应用于动态自组装材料领域,悬浮在溶液中的无机纳米粒子可用于组装无机纳米粒子和相应的电子设备以预定的方式。http://www.shanghaitech.edu.cn/2018/0425/c1001a22039/page.htm)。然而,由于缺乏蛋白质分泌能力和大肠杆菌本身的潜在安全性,基于大肠杆菌生物膜的生物材料的开发和应用受到严重限制。

针对目前大肠杆菌生物膜生物材料的潜在问题,研究人员在本研究中合理选择了枯草芽孢杆菌作为工程对象。枯草芽孢杆菌是一种革兰氏阳性细菌,只有一层细胞壁。由于其强大的分泌能力,它被广泛用于食品和制药工业。同时,这种细菌也是FDA认为安全的一种菌株,因此其理论上它的蛋白质分泌能力和安全性远优于一般的大肠杆菌。研究人员首次使用合成生物学和材料科学,成功地构建和表征了基于枯草芽孢杆菌TasA淀粉样蛋白的活体生物膜材料。

研究小组首先使用基因工程通过TasA融合表达和分泌不同的功能蛋白或结构域。经证实,具有不同结构域的TasA淀粉样蛋白可在细胞内表达,分泌,在细菌中自组装形成不同的功能。细胞外纳米纤维。为了证明这种生物材料平台的应用前景,研究人员将枯草芽孢杆菌生物膜与特定功能酶和金纳米粒子铆钉结合在生物膜上,设计出一种新型的杂化催化级联反应。该级联反应用于环境生物修复,并最终可将高毒性有机磷农药降解为低毒性化学品。这种活细胞/无机杂化催化体系的建立为生物功能材料在生物修复,人工光合作用等中的应用提供了良好的示范作用。

钟超的研究小组进一步发现,利用基因工程不仅可以改变枯草芽孢杆菌生物膜的组成和生化功能,还可以进一步调整生物膜本身的力学性质(如粘弹性)和理化性质(如亲水性)。 。改性生物膜具有凝胶状特性,更适合生物制造,可通过3D打印精确制作成三维形状。实验表明,这些生物材料不仅可以直接以3D打印,还可以与量子点混合。印刷的生物材料可以感知水凝胶中溶液中的外部信号,并且可以用作生物传感器。生物膜表现出的这些机械性能对于不同用途的未来生物制造和活细菌材料的更安全包装更有价值。值得一提的是,作为生物材料,这些工程生物膜即使在长期储存后也具有自我再生特性,并且在通过后保持原有的物理和机械性能。因此,它具有传统材料所没有的“生活”特征。本研究将拓宽生活功能材料应用的思路。 TR

本文第一作者是材料学院助理研究员黄娇芳博士,刘素英博士。 2015年的学生,2015年的研究生张伟。钟超是通信的作者,尚科达是第一个完成单位。该研究得到了上海市科学技术委员会 - 基础研究项目(合成生物学专项),国家自然科学基金,青岛海洋科学与技术国家实验室 - 2016年开放基金和上海科技大学创业基金的支持。基金。

该项目的原始应变是印第安纳大学D. Kearns团队的礼物。在项目过程中,华东师范大学叶海峰教授,中国科学院上海研究院(现上海交通大学)范春海教授和麻省理工学院教授Timothy K. Lu及其成员研究小组得到了帮助。透射电子显微镜和荧光显微镜分别由生命科学学院的国家蛋白质中心和成像平台以及材料研究所的分析测试平台提供帮助。与本文相关的工作已申请中国和国际专利(CN/201611156490.X和PCT/CN2018/100538)。

注意:活体功能材料是合成生物学和材料科学领域的一个新兴研究领域。早在2018年3月,Nature系列杂志专栏作家Philip Ball就受到了材料研究学会的邀请。这是对全球活跃的研究人员的访谈,以及在其期刊MRS Bulletin(Ball,P。Synthetic biology-Engineering nature to making materials.MRS Bulletin 43,477-484(2018))中的实地审查和前瞻性文章。作为该领域的代表,钟先生就生物膜功能材料的发展发表了自己的个人见解。本文的出版代表了世界上这一新兴领域快速发展的一个缩影。 TR

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41589-018-0169-2

图1.可编程可印刷的枯草芽孢杆菌生物膜生物材料的示意图。

图2.可以3D打印的基因工程生物膜。

图3.可以3D打印的生物膜,可以感知信号和再生。

图4.第一作者和通讯员钟超教授的照片(从左到右:刘素英,钟超,黄娇芳,张伟)

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