2022年8月12日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所钟超课题组受国际知名学术期刊Current Opinion in Chemical Biology编辑部邀请,在其Synthetic Biology主题专栏中在线发表综述文章 “Engineered Living Materials (ELMs) Design: From Function Allocation to Dynamic Behavior Modulation”。
我们身边有很多生命体所创造出来的天然活体材料(例如蚕丝蛋白,牙齿,木质纤维等)。这些材料具有许多独特的“活体”属性,可以自我生长、自我修复、针对环境进行响应和进化适应,这是通过化学或者物理方法合成的材料无法媲美的。因此,科学家们从大自然中汲取灵感,开创了“工程活体材料”这一新兴领域,将活细胞视作材料的重要组成部分,旨在创造具有上述“活体”特征的先进材料。
文章总结了工程活体材料理性设计的两大主要策略:1)通过引入内源性或外源性功能材料模块来赋予/增强材料特定性能; 2) 通过重新编程细胞-细胞或细胞-环境之间的相互作用来工程细胞动态行为,制备具有动态特性的生物材料;并对“工程活体材料”领域的功能优势、关键挑战和未来趋势进行了展望。
钟超研究员为本文通讯作者,博士后王艳怡和客座学生刘奕为该综述的共同一作。
图3 | 编程细胞-细胞相互作用制造多细胞活体材料
单个细胞的作用是有限的,生命系统通常以多细胞的形式存在,通过细胞间的有效通讯协调发挥生理作用。借助合成生物学技术编程多个底盘细胞间的相互作用和通信途径,可构建多细胞体系的活体材料(图3)。构筑多细胞体系显著提高了活体材料在结构和功能两个方面的复杂度。结构方面,通过设计不同底盘细胞之间信息交换的遗传回路,结合效应蛋白(形态发生蛋白、粘性蛋白等)的表达,可使细胞形成特定的复杂结构。功能方面,多细胞体系的活体材料可采用分工合作策略分摊代谢压力,有望形成更稳定的体系,执行更复杂的功能。
跨种属的多细胞体系更类似于哺乳动物的器官组织,但由于目前对跨种属交流的理解有限,共培养是最常用的跨种属联盟的构建方式。目前已经实现包括细菌-细菌、细菌-酵母、细菌-真菌和细菌-哺乳动物细胞在内的四种跨种属多细胞体系(图3)。通常其中一种底盘细胞负责结构材料的生产,另一种底盘细胞行使特定生物功能。
合成生物学和材料科学的结合已经衍生出了种类丰富的活体材料,它们被应用于生物制造、环境修复、疾病治疗等多个领域。与传统的非活体材料相比,这些材料在环境可持续性和动态响应性方面具有突出的优势。随着底盘细胞的快速开发以及用于细胞间通信的合成生物工具箱不断扩大,多细胞体系成为了未来的一个新趋势,因为其具有代谢分工、复杂底物的多组分利用及耐受苛刻环境等内在优势,借此可以搭建更稳定、适应性更强的活体材料平台。