12 月 23 日，麻省理工學院（MIT）海歸博士后、現為中國科學院深圳先進技術研究院研究員的鐘超團隊與 MIT 合作者在 nature reviews materials 雜志發表了一篇綜述論文，標題為《基于合成生物學技術的材料設計》（Materials design by synthetic biology）。

圖 | 相關論文（來源：nature reviews materials）

在這篇綜述文章中，鐘超團隊和麻省理工學院的 Timothy K. Lu 團隊定義了材料合成生物學這一新興交叉領域的研究范疇，即綜合合成生物學和材料科學的工程原理，將生命系統重新設計為具有可編程和新興功能的動態響應材料。該文闡述了合成生物學方法和工具（包括基因電路，模式生物和相關的設計參數）應用于功能活體材料的構建，并重點探討了該領域的前景和未來挑戰。

材料合成生物學

隨著基因合成及編輯技術的發展進步，生物學家能夠以類似于計算機編程的方式對自然界的活體系統進行定制化的改造設計，在材料領域的應用體現則是將工程改造的生命體作為細胞工廠，以時空可調控的方式合成人類所需的生物材料。基于此，研究者們提出了材料合成生物學這一新興交叉領域，其實質是借鑒并融合合成生物學和材料科學的工程原理，一方面借助合成生物學技術馴化、改造生命，結合理性設計的材料模塊并利用基因邏輯線路調控細胞動態、智能地合成材料；另一方面將功能定制改造的生命體與人工合成材料（比如水凝膠、半導體、混凝土等）合為整體，賦予傳統材料不具有的動態生命特征，從而創造出具有動態響應能力的復合活體材料。

圖 | 合成生物學和材料合成生物學的主要進展及時間表。（來源：nature reviews materials）

活體自組裝功能材料

活體自組裝材料是由基因工程編輯的活體系統及其所生產的非細胞自組裝成分組成的一類復合功能材料。由于程序化基因線路能夠賦予活體系統感應環境、邏輯計算以及激活轉錄等能力，因而理論上活體系統能夠根據人工設計的基因線路，動態地合成具有定制化功能的材料。除了執行復雜的應用任務，工程改造的活體材料能夠保留活體系統自我復制和進化等功能，因而也具備高度的再生性和環境適應性。文章介紹了三種活體自組裝功能材料形式，分別是以相分離蛋白與蛋白氣囊為代表的胞內凝聚體結構，以大腸桿菌 curli 纖維為代表的生物被膜材料以及包括有靶心、條紋、細胞自組裝等形成的圖形化結構，分別可用于超聲成像，水污染處理以及復合活體材料等。

圖 | 基于非活體和活體的自組裝功能材料。（來源：nature reviews materials）

雜合活體功能材料及其五大應用

合成生物學技術改造的功能活體系統與性能優越的人造材料相結合，將賦予合成材料更多的生物動態特性，比如自我調節、自修復以及對特定環境信號的感知與反饋能力等，而反過來人造材料例如支架材料則可以增強活體功能材料整體的機械強度并拓展其實用性。

因而，雜合活體功能材料結合了人工材料和活體系統的優勢，讓傳統材料的應用層面得以豐富，主要包括：

圖 | 雜合活體材料的代表性示例（來源：nature reviews materials）

第一，雜合活體傳感材料。合成生物學設計的基因傳感線路賦予工程細胞特異性的環境響應能力，構成了全細胞生物傳感材料的基礎。將合成生物學設計的傳感細菌與生物相容性的支架材料相結合，能夠給予傳感材料更強的實用能力。例如，GPCR 改造的釀酒酵母能夠識別真菌分泌的交配多肽而發生顏色變化，因而可被用于監測環境中的特定病原體。

第二，雜合活體醫療材料。合成生物學可重新編程活體系統基因調控線路，因而為設計具有定制化醫療效果的活體材料提供了可能。除了在體內輸送藥物治療慢性疾病，雜合的活體醫療材料也被嘗試用于清除皮膚表面的病原體感染。

第三，雜合活體電子材料。程序化設計的活體系統與電子設備相結合，為簡化生物傳感器的檢測過程以及實現對生物材料的遠程實時控制開辟了新的方向。例如，MIT 研究人員設計了一種可吞服微生物電子設備（IMBED），方便患者對腸道健康（例如慢性出血癥）進行實時監控。

第四，能量轉換材料。微生物燃料電池是依靠希瓦氏菌一類活體微生物分解有機物產生電能的裝置，在污水處理方面應用廣泛。通過合成生物學手段設計基因線路優化調整電子代謝途徑能夠加強微生物的電子生成能力以及體外傳輸渠道。此外全細胞人工光合體系整合了無機材料吸收光能的特性以及活體生命催化合成的能力，加速了光能至化學能的有效轉化，因此有望用于未來的太空探索。

第五，雜合活體建筑材料。部分微生物能夠依靠分解尿素或者通過光合作用提高環境中的 pH，并誘導鈣離子礦化形成碳酸鈣沉淀。將這些微生物培養在含有營養物質與鈣離子的砂漿中可以用于生物磚塊的制造，得到的建筑材料具備良好的機械強度，且生產過程不需要借助燒窯加熱，因而大幅減少了溫室氣體排放。

展望與當前的挑戰

根據材料合成生物學當前取得的進展與不足之處，研究者指出了這一研究方向在未來發展過程中應當著力提升的幾個方向。

圖 | 材料合成生物學的挑戰和未來方向。（來源：鐘超團隊）

當前，材料合成生物學的大部分工作局限于模式生物的開發和使用，大腸桿菌這類模式微生物盡管易于工程設計，然而由于缺乏通用的材料修飾或分泌代謝途徑，在多數情況下并不是材料合成的完美宿主。所以，未來材料合成生物學的基因操作工具的發展應當向可生產高附加值材料的非模式生物傾斜，比如家蠶、蘑菇等高等生物。

除了基因工程重組代謝途徑，當前工程菌株產生新功能的另一種方式是通過定向進化策略優化其基因線路。通過迭代誘變以及選擇性篩選，活體系統能夠代謝非常規底物并高效的應用于生物材料合成。

此外，當前的基因誘導表達系統中存在的操控不嚴格，背景泄露也會成為材料應用中的負面影響因素。定向進化技術可以用于優化啟動子 - 調控子對，減少基因背景泄露，增強線路敏感度以及擴大動態調控范圍。

在當前發展的雜合活體材料中，細胞與水凝膠僅僅是簡單的封裝，而成熟的產品通常需要在更高的程度上將生命成分與非生命材料有機結合在一起。未來在機器學習和人工智能的幫助下，活體系統和人工材料的無縫集成可能很快將成為現實。

并且，考慮到現實應用與產業化的需要，該領域的研究人員還應努力解決合成生物學技術目前在可擴展性和安全性方面存在的問題，特別需要說明的是安全問題一直以來就是阻止轉基因生物進入市場的重要障礙。

盡管材料合成生物學領域尚未開發完全，還有很多難題與挑戰需要逐步破解，但正如鐘超等人所說，這一跨學科新興領域蘊藏著的巨大潛力。因此，其誕生不僅為創建具有定制形態和功能的新型材料提供了可能性，還為生物醫藥、能源環境、國防軍事等領域提供了全新的發展思路。

責任編輯：lq