麻省理工学院海归发明“活”材料，能自我修复

“在不久的将来，人们再谈起‘材料'两个字的时候，联想到的将不只是冷冰冰的金属或轻飘飘的塑料，而是有生命特征的‘活的'材料！”麻省理工学院（MIT）海归博士后、现为中国科学院深圳先进技术研究院研究员的钟超说道。

有了这些材料，可以让小树苗在短短几个月时间里长成一棵参天大树；可以让特制的益生细菌进入人体的肠道，有针对性地对抗癌症，治疗炎症出血，调节菌群平衡；还可以在寸草不生的火星上进行人工光合作用，保障移民的生存……

这就是近年来材料合成生物学领域涌现的一个全新方向 —— 活体功能材料，由钟超参与提出并大力推广。

图 | 钟超

钟超告诉 DeepTech，其实这一研究方向的很多灵感，来自于自然的生物材料体系。

在自然界中，很多生物材料都是活细胞参与构筑的复合材料，一个典型的例子就是人体骨骼，经过生物矿化过程形成多级的复合结构，并具备一系列优异的理化性质和 “活体” 特征：轻质坚硬，耐久性好，以及能够自我进化、自我修复、对环境做出响应等。

为了模拟类似骨骼的多级复合生物材料，仿生矿化领域的研究人员过去做了很多工作，但基本都是单纯从化学或材料角度出发，以生物分子（蛋白质、多糖）框架作为模板结构引导生物矿化的发生，而很多自然的生物矿化体系的形成都与细胞深度参与密不可分，所以最终制备出的无机材料的性能仍然无法与具备 “活体” 特征的自然材料相媲美。

此时的材料学亟需引入全新的研究范式，来破解当下的发展瓶颈。出身材料学，又经过海外名校合成生物学滋养的钟超开创性地将合成生物学与材料科学相结合，通过合成生物学、基因编程的手段来改造生命体，让生命体特有的 “活体” 特征与合成材料的特定性能完美结合，从而超越传统材料制备出可响应外界环境变化、可自愈合，并具备 “智能” 等全新特征的复合材料。

但是，到底如何利用工程改造的细胞来合成具有 “活体” 特征的复合矿化材料呢？

关于这一困扰业内多时的难题，钟超团队及合作者经过 4 年多的探索，再次抢先给出了新的解决方案 ——他们提出了一种能够实现可调控仿生矿化的新思路，即利用细菌去感知环境和分泌生物分子的能力，通过对大肠杆菌生物被膜进行工程改造，使用 “两步法” 即可制备出形状、厚度、密度和机械性能可调控的活体 —— 矿物质复合材料。据他介绍，这种活体梯度复合材料的制备方式可给未来骨损伤修复提供很好的研究基础。相关论文以《通过光诱导生物被膜的梯度矿化制备的生物材料》 (Living materials fabricated via gradient mineralization of light-inducible biofilms) 为题，发表在Nature Chemical Biology杂志上。

图 | 相关论文（来源：Nature Chemical Biology）

据悉钟超教授是该论文唯一通讯作者，南京大学曹毅课题组以及上海科技大学于奕课题组参与协作完成。此项研究还得到了国家科技部重点研发计划合成生物学专项、国家自然科学基金联合重点基金、上海市科委基础重点项目合成生物学专项以及中国博士后科学基金等项目的支持。

“两步法” 制备类人体软骨的活体复合材料

这项工作中，钟超团队主要利用蓝光光控诱导的大肠杆菌生物被膜这一平台，改造后的细菌可以感受外界蓝光启动融合蛋白的表达，产生的生物被膜能进一步矿化形成复合材料。由于生物被膜被本身具有粘性，形成的复合材料会黏附到基底上。

因此，研究人员提出一种两步法制备能形成任意图案的复合材料：（1）借助投影仪将绘制的蓝色图案从正上方投影到加了培养液的培养皿底，经培养后可获得完美复刻投影图案的生物被膜；（2）将培养液替换成 1.5 倍的模拟体液，经矿化过程后可获得同样图案的复合材料。

值得一提的是，基于羟基磷灰石的良好生物相容性，制备得到的复合材料中 74% 的细菌依然是活性状态，这对该材料的后续应用具有非常重要的意义。羟基磷灰石为细菌提供了保护性的外壳，存活的细菌保留着感受外界信号并作出应答的能力，可以继续发挥人为赋予的功能。

图 | 通过投影不同蓝色图案得到精确的图案化活体复合材料

除在空间位置上的精准调控，自然界中矿物组织的演变还存在很多其他形式的调控，比如矿化程度的调控，其中一种有趣的现象就是无机物的梯度沉积。比如人的关节软骨浅层到软骨下骨矿化程度呈现出明显的梯度，因此力学性能也呈现特殊的梯度分布。

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