在生物材料设计与合成领域，如何像搭建乐高一样，将多种截然不同的生物活性功能（如抗菌、促再生、催化等）精准、牢固地“组装”到一种材料骨架上，是实现复杂智能功能的关键挑战。细菌纤维素（BC）具备天然三维纳米纤维网络与优异生物相容性，是理想的结构基底，但其本征化学惰性使其长期处于“功能沉默”状态。现有改性策略往往具有强耦合特征，容易在引入新功能的同时破坏材料微结构与力学/生物学性能，从而难以实现多功能模块的协同集成与可扩展迭代。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所钟超研究员、安柏霖副研究员，联合上海科技大学郑宜君教授与上海长征医院叶添文教授团队，在国际知名期刊Nature Communications发表研究成果。研究团队成功构建了一种通用的“生物正交功能化”平台，创新性地结合代谢糖工程与点击化学策略（2022年诺贝尔化学奖），将BC转化为可按需编程的“活性基座”，为其多功能集成与应用拓展开辟了新路径。该平台允许研究人员将不同尺度的功能分子（从小分子药物到大型蛋白质酶）按需且共价地“安装”到纤维素网络中，从而自由定制材料的生物活性。这项工作不仅展示了按需制造抗菌、促细胞黏附、酶催化等多种功能材料的能力，更提供了一个强大的材料功能化新范式，有望广泛应用于再生医学、生物传感和环境修复等领域。

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原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69130-8

让细菌纤维素从“静态材料”变身“可编程平台”

面对细菌纤维素功能化的难题，研究团队跳出“一材一用”的传统改性思路，转而从生命体系的精密组装机制中汲取灵感，提出了一种“先编码、再装配”的两步仿生策略。第一步，在材料合成阶段进行“材料编码”：在微生物发酵过程中引入携带化学手柄的非天然糖分子——叠氮化N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAz，含叠氮基团-N₃）作为“功能砖块”，被微生物直接掺入纤维素骨架，从而在不破坏网络结构的前提下赋予材料全局可反应活性。第二步，在材料应用阶段进行“点击装配”：利用高效、特异且生物相容的点击化学反应，将带炔基（alkyne）手柄的多类功能分子按需“扣合”到BC骨架上，实现材料功能的模块化、可编程扩展（图1）。

图 1 | 模块化多功能集成平台示意图：从细菌纤维素到可定制的生物活性材料

这一策略的核心优势在于“生物正交性”：引入的叠氮基团在发酵过程中稳定存在，不与生物系统发生干扰；而后续的点击反应条件温和，能最大限度地保护功能分子的活性。这相当于为细菌纤维素装上了标准化的“万能接口”，实现了功能模块的“即插即用”。

“平台”的构建与多功能验证

基于这一通用的“活性基座”，研究团队构建了多种功能差异显著的复合活材料体系：

1）小分子抗菌分子集成：通过点击化学偶联光敏卟啉分子，赋予材料可控光响应抗菌能力，在光照条件下可高效灭活细菌与真菌，使BC具备“抗菌防护外衣”；

2）细胞黏附多肽集成：进一步连接经典RGD细胞黏附肽，显著促进成纤维细胞黏附、铺展与增殖，将材料转化为支持组织修复与再生的“细胞友好基底”；

3）大分子蛋白质集成：创新引入光催化温和炔基化策略，实现蛋白质的可控功能化修饰，并将荧光蛋白、辣根过氧化物酶（HRP）等完整且高活性地固定于BC上，获得长期稳定的蛋白功能输出与生物催化能力。

平台应用场景的举例展示：智能敷料应对复杂伤口

为展示该平台应对复杂生物医学问题的能力，研究团队聚焦以高血糖、氧化应激与炎症反应为核心特征的糖尿病慢性创面。依托该平台，团队将葡萄糖氧化酶（GOx）与超氧化物歧化酶（SOD）两种治疗性酶在同一块BC敷料上实现同步、稳定的共装配，构建协同作用的“微型代谢调节器”。其中，GOx通过催化过量葡萄糖消耗，有效改善创面高糖微环境；SOD则快速清除活性氧（ROS），缓解氧化损伤并降低炎症相关压力。在糖尿病小鼠模型中，该双酶功能化敷料显著优于传统材料，表现为更高的创面闭合率与更充分的组织再生。该案例有力证明，该平台可实现多种生物功能的模块化集成与协同输出，从而针对复杂病理微环境提供高效干预策略。

总结与展望

本研究突破了对单一材料体系或特定应用的局部优化，构建了一个高度通用、可模块化扩展的BC基生物材料功能化平台。该平台将合成生物学的“可编程设计”与材料化学的“精准合成”深度融合，实现对BC性能的按需构建与可扩展迭代：既可完成关键功能的“从0到1”赋能，也可实现多功能模块叠加的“从1到n”拓展。得益于策略的普适性与开放式接口，该平台的应用前景不局限于生物医用材料。未来通过接入传感分子、催化酶、导电聚合物等多样化功能模块，有望在生物传感、绿色催化、柔性电子与环境修复等方向形成新的技术路径与应用场景。

该研究亦获得同行评议的高度认可。审稿人评价指出：“该工作以点击化学为核心工具，突破了细菌纤维素（BC）天然惰性、难以温和改性的关键瓶颈，实现了在生长过程中引入可反应侧基的‘可点击BC’，将BC从结构材料拓展为可编程功能平台。研究设计严谨、跨尺度验证充分，是一项兼具原创性与工程转化潜力的平台型成果，为BC基工程活材料与生物医用材料开辟了新的研究与应用方向。”

本研究由中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所钟超研究员、安柏霖副研究员，上海科技大学郑宜君教授与上海长征医院叶添文教授共同指导完成。中国科学院深圳先进技术研究院博士生陈劭杰（香港科技大学（广州）联培）与长征医院博士生唐浩为共同第一作者。研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市医学研究专项以及深圳合成生物学创新研究院等项目支持，并依托深圳合成生物研究重大科技基础设施与上海科技大学高性能计算平台完成。