合成生物学|你见过快速自愈的活体材料吗？

文/广州日报全媒体采访人员王纳
活体材料，一个听起来就让人有无限遐想的名词，如果再加上一个定语“快速自愈”呢？这对当下的人来说就更像是一种魔法了。正如伟大的科幻小说家亚瑟·克拉克（《2001太空漫游》作者）所说：“任何足够先进的科技，都与魔法无异。 ”如今，这种听起来“与魔法无异”的科技，正在被深圳科学家攻克。
12月22日，中国科学院深圳先进技术研究院合成所、深圳合成院戴卓君课题组与集成所刘志远课题组合作的最新研究成果发表于《自然》期刊的子刊《自然化学生物学》。研究团队针对活体功能材料这一领域，提出了一种全新的可快速修复的活体材料构建思路，并进一步将这种思路转化成一种普适的活体材料组合方法，将其推广应用于智能制造及可穿戴设备的组装等全新的应用领域。
未来这种材料可以应用在军事、科技等诸多领域，毫无疑问，这是合成生物学领域融合生物技术（BT）与信息技术（IT）的一次新尝试。
生物活体材料实现强大的自修复能力
自修复材料并非是近些年来才提出的概念。美国某服饰品牌此前就推出过能自动修复的衣服材料，其原理非常简单，只是通过提高线的强度，使铁钉插入后不能将线割断而只是把线拨开。然而这样的材料其局限性很大，面对如锐器等造成的割裂，其修复功能便不再能发挥作用。
此后，科学家将目光投向纺织品的涂层材料上。鱿鱼的环齿蛋白（SRT）具有“自愈”性能，在带有SRT蛋白涂层的纺织品上滴几滴温水，再把断面重叠在一起按压60秒左右，断面就会重新连接起来。
然而，这样的自修复材料与人们想象中的自修复材料还有很大差距，简单来说，这样的修复方式无法使断裂面通过自修复弥合，另一方面，提纯后的蛋白材料也不再具有活细胞可编程的特性。
合成生物学的快速发展使得利用智能生物活体材料实现自修复过程成为可能。传统的活体材料提出依靠微生物的生长繁殖实现自修复，这一过程往往需要花费数十小时甚至几天的时间，这样漫长的修复时间极大地限制了其应用场景。对此，研究团队从修复原理上另辟蹊径，找到了一种能极大缩短材料修复时间的方法。
抗原和抗体分子在结构上有一定的互补性（依靠分子间作用力形成非共价结合），使得它们在极短的时间内就可以发生特异的相互作用而稳定地结合起来。这种结合力在外力破坏后可以迅速还原，即实现快速修复。基于这一原理，团队分别构建了表面展示有抗原和纳米抗体的两种工程菌株，之后，再以一定比例将两种菌株混合，通过抗原-抗体间的快速相互作用，制备出了稳定的具有高效自修复能力的LAMBA前体材料。
由于LAMBA前体材料性质与水凝胶相近，因此，结合传统的材料加工工艺（如3D打印、微流控等）就可以将LAMBA材料自由地加工成形态、性能各异的材料。
“可编程”活体材料让设备更智能
合格的自修复材料还应该是智能的，生物活体材料最大的优势之一就在于微生物强大的可编程能力，因此，研究团队也从两方面对此进行了探究。
一方面，通过在两种工程细菌表面展示酶和纳米催化剂，然后将其制成LAMBA材料，最终成功将农药的主要成分对氧磷降解为低毒害的对氨基苯酚。另一方面，在一种细菌表面展示淀粉水解酶而在另一种细菌胞内表达海藻糖合成酶，这样，淀粉先被淀粉水解酶转化为麦芽糖，然后麦芽糖作为底物再被运输到另一种工程菌胞内被海藻糖合酶转化为海藻糖。