专家点评Nat Chem Biol | BT和IT的碰撞?科学家设计快速自愈的活体材料_合成生物

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专家点评Nat Chem Biol | BT和IT的碰撞?科学家设计快速自愈的活体材料

发布时间 2021-12-27 10:14点击次数 65次

2021年12月21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在Nature Chemical Biology发表题为“Programmable Living Material Generated by Bacterial Assembly”的文章。针对活体功能材料这一领域,提出一种全新的可快速自愈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,将其推广应用于全新的领域如智能制造及可穿戴设备的组装,初步尝试生物技术(BT)+信息技术(IT)的融合。设计理念跳出目前活体材料以生物被膜为基础的编辑框架,利用高分子物理化学的理念去跨学科研究和挑战利用微生物制备具有快速自修复特性的可编程和可加工的活体功能材料。第一作者为陈柏竹博士,第二作者孙静及朱润涛在可穿戴器件部分及文章修改方面做出了重要贡献。 

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文章链接:https://www.nature.com/articles/s41589-021-00934-z 


为什么是Ta? 

自2014年提出活体材料的概念,迄今大部分工作是通过编辑工程生物被膜(Biofilm engineering)实现材料组装,而其中最为成熟的是大肠杆菌淀粉样蛋白纤维(curli)体系1。Curli体系由蛋白单体CsgA在细菌表面铆定并聚合形成纤维,通过与CsgA融合多肽或蛋白功能域,可赋予curli多样化的功能。然而由于分泌的局限性,CsgA只能融合约100个氨基酸左右的蛋白,限制了curli功能修饰的范围2。此外,自修复性是活体材料的另一核心优势。目前,活体材料自修复全部依靠细菌自身的生长更新,即使分裂速度极快的大肠杆菌,自修复的时间尺度也在几个到几十个小时之间。而对于健康监测的可穿戴器件,材料在拉伸或折叠后必须快速修复其性能以保证器件运行的稳定性。例如可穿戴应变传感器的灵敏度、可靠性和稳定性取决于材料修复后的导电网络和机械性能。这一类材料对自修复的要求通常是分钟级别的。因此,当前活体材料理论自修复能力与实际需求有百倍,乃至千倍的差别。单纯依靠合成生物学原有思路: 利用生物生长带来的自修复效应无法解决该问题,亟待引入跨学科的理念及设计提供新思维和新方法。 


LAMBA :Living Assembled Material by Bacteria Assembly 

在一类合成高分子材料中,通过非共价键的化学作用可以实现快速、多次的自修复。这种基于动态非共价化学作用的自修复,主要通过氢键等主客体作用来实现。在生物大分子中,抗原抗体间可以通过非共价键结合,包括氢键、静电作用、疏水作用力等。由此,该项工作通过在微生物表面编辑抗原或抗体分子,引导微生物可通过抗原抗体相互作用产生粘合,从而形成可快速自修复的活体功能材料,搭建活体功能材料设计的新框架(图1)。 

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图1:组装LAMBA活体功能材料,使材料可加工、可编程、可快速自愈。 


科研人员运用已开发的抗原或抗体及表面展示体系3。将抗原或抗体展示到大肠杆菌细胞膜表面构建工程细菌,随后混合两种细菌构建材料。混合后的细菌由于抗原抗体作用迅速自组装成材料前体(LAMBA, 图2a)。LAMBA相对于单种细菌具有更高的动态模量以及粘度,这种优化后的流变性能使得LAMBA具有更好的可加工性(图2b)。LAMBA可直接作为3D打印材料构建宏观的二维或三维精细结构(图2c),也可构建微米级材料,如组装微米级纤维(图2d)。作为活体材料,LAMBA具备“活”材料的生长特性,通过将LAMBA进行“复印”, 便可复制产生新材料,而新材料依旧能够保持良好的形态完整(如图2e)。 

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图2:LAMBA具有可加工性。a: 展示有抗原和抗体的大肠杆菌混合后,自组装并沉降形成LAMBA; b: LAMBA的粘度得到显著提升;c: LAMBA构建二维或三维的宏观精细结构;d:构建微米级LAMBA纤维:e: LAMBA可进行高保真的复刻。 


可编程的LAMBA 

科学家使用合成生物学工具对LAMBA进行编程,赋予其生物降解或生物催化的功能: 1)可生物降解的LAMBA: 科研人员在展示抗原的细菌表面同步展示有机磷农药降解酶(OPH),并在展示抗体细菌表面修饰纳米金颗粒(图3a)。利用两种细菌粘合制作活体材料。实验数据表明,在OPH的催化下,组装的活体材料首先将对氧磷将其转变为中间产物对硝基苯酚,并进一步由纳米金颗粒催化降解为低毒害的对氨基苯酚(如图2B)。 2)可生物催化的LAMBA: 科研人员在展示抗原的细菌表面同步展示淀粉水解酶(BA),并在展示抗体细菌胞内表达海藻糖合成酶(TreS),利用两种细菌粘合制作活体材料(图3c)。淀粉作为一种无法被大肠杆菌利用的碳源,可首先由淀粉水解酶转化为麦芽糖,并作为底物运输到胞内,被海藻糖合成酶转化为海藻糖(图3d)。 

值得一提的是,科研人员利用蛋白展示系统可将545个氨基酸的功能域展示到LAMBA表面,提高活体功能材料的修饰能力。 图3:可编程LAMBA。a-b:通过编程使得LAMBA材料具备对氧磷降解能力;c-d:通过编程使得LAMBA材料获得海藻糖合成能力。 


可穿戴LAMBA柔性器件 

研究人员希望通过抗原抗体的非共价作用使得LAMBA具有快速自修复的能力。为此将LAMBA置于可拉伸SEBS薄膜上,循环拉伸至长度的250%,同时跟踪其导电性。数据显示,LAMBA在此循环拉伸(10次)下始终维持恒定电阻,而单种细菌在拉伸时电阻迅速升高。科学家从菌体中间划断材料,五分钟内捏合断面并立即重复拉伸实验(如图4a)。数据显示,LAMBA在修复后的循环拉伸下依旧维持恒定电阻,而单种细菌的电阻则显著升高,表明LAMBA器件具备迅速自愈合能力(如图4b-c)。 

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图4:可穿戴LAMBA柔性器件。a: 测试LAMBA自愈合性的实验设计;b:划断前; c:划断捏合后, LAMBA (紫色)均保持250%长度循环10次拉伸下的电阻稳定性;d: 柔性LAMBA电生理传感器; e:握拳与放松状态下的肌肉电生理信号,自上而下依次为柔性LAMBA、Nb、Ag、Au电生理传感器; f: E图所对应肌肉电生理信号的信噪比,SNR=20 lg(ASignal /ANoise);g:柔性LAMBA应变传感器; h:柔性LAMBA应变传感器可稳定监测指节弯曲;i:柔性金薄膜应变传感器无法监测大角度关节运动。 


可穿戴设备旨在检测人体基本生理信号以达到日常健康检测、辅助康复治疗等效果,拉伸导电性能是设备能否正常运行的关键因素之一。基于以上细菌高拉伸循环稳定性测试,科研人员进一步将LAMBA制备成传感器用作可穿戴器件,包括柔性LAMBA电生理传感器(LAMBA EMG sensor)以及 应变传感器(LAMBA strain sensor)。 

电生理传感器用于记录肌肉在运动过程中的电生理信号(如图4d)。人体的神经肌肉活动均伴随着电生理信号的产生,不同神经肌肉电生理信号的频率、幅度不同,生理特征与应用范围也不同。对肌肉电信号的准确获取,一方面可以用于评估肌肉的健康状态,另一方面也可以用于计算评估人体瞬时的动作意图,进而去控制外部设备,如假肢和外骨骼等。实验结果显示,柔性LAMBA电生理传感器可以捕捉到肌肉电信号,并且相比于相同方法制备的单菌或金薄膜电生理传感器显示更好的信噪比(如图4e-f)。 

另一方面,LAMBA的高拉伸性与自愈合特性在应变传感器中显示出独特的优势,科学家对LAMBA进行封装构建电阻式应变传感器,并将传感器贴敷在手指关节监测弯曲时的形变信号(如图4g)。实验数据表明,具有微裂纹结构的柔性金薄膜应变传感器在手指弯曲的情况下出现信号中断现象(如图4i),而利用活体材料构建的柔性LAMBA应变传感器可稳定的感知指节动作,并给与相应的信号输出(如图4h)。 

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图5:应变传感器监测指节弯曲。左:LAMBA应变传感器,右:柔性金薄膜应变传感器。 

在指节弯曲过程中,越靠近关节处的传感器形变量越大,基于此具有微裂纹结构的柔性金薄膜传感器因部分区域形变量过大而导致整个传感器失效,即具有微裂纹结构的柔性金薄膜传感器无法在大形变角度下正常工作(如图5-右)。相比之下,柔性LAMBA应变传感器可以应对这种不均匀形变的现象,通过电阻变化来实时反应指节的弯曲角度与动作保持状态(如图5-左)。 


LAMBA展望:BT+IT 

该项工作跳出活体材料编辑淀粉样蛋白系统等传统设计框架,借鉴一类通过动态非共价结合的自修复高分子的修复机理,搭建了快速自愈合活体材料组装的新框架。 

1)将一类自修复高分子中的动态非共价理念引入工程微生物,利用抗原-抗体间的非共价结合力构建可快速自修复的活体功能材料; 

2)通过表面展示体系实现大蛋白对细菌表面的修饰,提高活体功能材料的可加工性及可编程性; 

3)将活体功能材料构建传感器等并应用于频繁拉伸或弯折的可穿戴设备,对肌肉电信号等健康指标进行监测。 

该项工作对获得具有快速修复能力的活体材料具有重要的理论指导及实际应用意义。其在IT领域智能制造应用上的尝试,表明合成生物学在IT领域应用的无限可能,为合成生物学材料研究开拓新思路、新方向。 


专家点评: 

中国科学院院士,上海交通大学教授樊春海:这个工作在活体材料的设计与编辑中跨出了一大步。尤其是将高分子物理及化学中利用动态非共价键介导的快速自愈合这一创新的设计思路来武装细菌,将在高分子学科中积累的经典体系跨学科的引入合成生物学,这也提示我们在未来的活体材料设计中可以学习和借鉴其他材料科学的优秀体系。 


中国科学院院士,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所首席科学家赵国屏:该成果聚焦在活体功能材料领域,挑战了活体材料分钟内自愈这个单纯依靠细胞分裂无法实现的难题。解决这个问题的灵感来源于动态非共价键形成快速自愈合的理论,利用细菌表面安装可粘合的抗原-抗体的性质开发了一种可快速组装自愈的功能材料,实现了全新的可编程材料模式。尤其值得一提的是,该工作进一步将活体材料与多种可穿戴器件组装在一起,如肌肉电信号传感器以及应变传感器,突破了生命体与非生命器件的界限,拓展了活体材料的构建框架和应用领域,这是化学生物学及生物技术与材料科学和工程科学学科交叉“会聚”研究的一个范例。 


参考文献 

1.Chen, A. et al. Synthesis and patterning of tunable multiscale materials with engineered cells. Nature Materials 13, 515-523 (2014).

2. Huang, J. et al. Programmable and printable Bacillus subtilis biofilms as engineered living materials. Nat Chem Biol 15, 34-41 (2019). 

3. Glass, D.S. & Riedel-Kruse, I.H. A Synthetic Bacterial Cell-Cell Adhesion Toolbox for Programming Multicellular Morphologies and Patterns. Cell 174, 649-658.e616 (2018).