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Advanced Materials | 深圳先进院卞光凯:探索合成生物学在工程活体材料中的应用和前景

发布时间 2023-09-11 13:44合成所点击次数 1408次

近日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所卞光凯研究员在国际知名学术期刊《Advanced Materials》在线发表题为“Exploring the Application and Prospects of Synthetic Biology in Engineered Living Materials”的综述。文章从合成生物学和材料科学的角度,全面概述了来源于细菌、真菌和植物的工程活体材料(ELMs)在环境修复生态友好型建筑和可持续能源应用领域的最新研究进展和新兴设计策略,并对未来合成生物学在指导ELMs的设计和制造方面的发展趋势和挑战进行了深入讨论。深圳先进院博士后王起文研究助理李志璇华中农业大学客座博士研究生胡哲辉为共同第一作者,深圳先进院卞光凯研究员为文章最后通讯作者

 

文章上线截图

文章链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202305828 

 

ELMs具有自我生长、自我修复、环境适应性和动态调节特性,赋予了ELMs独特的功能。然而,随着需求多样化和材料应用场景的复杂化,现有ELMs的功能显然无法完全满足,这促使研究人员积极寻求具有突破性性能的新材料。合成生物学的快速发展激发了生物材料领域的创新热情,将合成生物学的设计-构建-测试-学习”方法与材料科学原理相结合,通过自下而上和自上而下的策略设计和改造生物活体材料,为细菌真菌植物来源ELMs引入新的功能(图1)。主要体现在以下三个方面:1) ELMs可动态响应外部刺激,并在特定时间和空间内智能调节功能;2) ELMs的原有功能可以增强,也可以引入全新的功能;3) ELMs的应用具有环境友好性和可持续性。这些优势凸显了合成生物学在设计动态感知、智能调节、高效、多功能和环保可持续ELMs方面的潜力。这些创新使得ELMs将能够满足人们对更高级功能和性能的需求,并推动动态材料领域的发展。

 

 

1 | 细菌,真菌,植物 ELMs 的设计理念、方法和应用

 

合成生物学指导设计和制造的ELMs在环境监测和生物修复方面具有智能精确、高效和绿色可持续的特点优于通过化学或物理方法合成的传统材料。在环境检测和修复应用中,细菌、真菌和植物ELMs采用不同的设计策略,具有各自独特的功能。细菌方面:1)通过基因编程调节细菌的生物矿化过程,以沉淀矿物质的形式提供修复功能;2)利用合成生物学设计的基因传感电路构建全细胞生物传感器,赋予工程细菌智能环境响应能力,以检测和修复污染物。此外,将它们与生物相容性支架材料相结合,可提高ELMs的实用性。对于真菌:1)调节真菌细胞壁成分可影响真菌对目标分析物的吸附;2)真菌生物传感器在环境检测领域发挥重大作用,通过调整菌丝的传感基因表达和信号网络,提高对特定化学物质或环境变化的敏感性和选择性。合成生物学在开发基于植物的生物传感器方面显示出巨大的潜力,这些传感器可以直接或间接地感知周围环境的变化,包括植物激素、次生代谢物和微生物。包括转录因子、核糖开关调节器和功能酶在内的各种分子成分可与选定的荧光蛋白结合用作生物传感器,从而实现对细菌病原体和环境污染物的检测(图2总之,通过合成生物学的指导,ELMs在环境监测和生物修复方面展现了巨大的潜力,为实现智能、精确、高效和可持续的材料应用提供了新的途径。

 

2a | 细菌ELMs在环境监测和修复方面的应用实例

 

 

2b | 真菌ELMs在环境监测和修复方面的应用实例


2c | 植物ELMs在环境监测和修复方面的应用实例

 

未来的建筑将是可持续的、可修复的、环保的,将生态与美学完美结合,这突破了传统建筑材料的局限。对于应用于建筑的ELMs来说,它们在制造速度、机械强度、耐久性、粘合强度、生物功能维护和自我修复能力等方面都超过了传统材料。例如细菌混凝土和真菌生物砖展现了智能修复的卓越能力植物通过其碳封存能力加固建筑结构,提高美学价值(图3)。当前,虽然构建完全由ELMs构成的建筑仍有挑战,但在合成生物学的引导下,未来可能实现由细菌、真菌和植物ELMs协作构建的“生命融合建筑”,这将成为建筑领域的重要突破。

  


3a 细菌ELMs在生态友好型建筑方面的应用实例

 

 

3b | 真菌ELMs在生态友好型建筑方面的应用实例

 

3c | 植物ELMs在生态友好型建筑方面的应用实例

 

在寻求可持续能源的过程中,已经发现一些具有电活性的微生物可以在分解有机物或氧化生物质中的无机化合物时产生电子,而将化学能转化为电能。这启发了研究人员积极探索微生物燃料电池(MFC)的可能性。为提高工程发电微生物的性能常采用两种策略:一种方法是利用合成生物学技术优化微生物的电子传递途径和电子产生效率;另一种方法是将细菌与高性能人工导电材料相结合。此外,研究人员还成功地在植物中引入了发光离子或整合了发光基因,创造出生物发光植物,最大限度地利用光合作用产生的剩余能量(图4)。通过整合这些进展中的多种生物电路,有望进一步改进能源收集,推动高效清洁能源的生产。

 


4a | 细菌ELMs在可持续能源方面的应用实例


4b |真菌ELMs在可持续能源方面的应用实例

 

 

4c |植物ELMs在可持续能源方面的应用实例

 

本综述从合成生物学和材料科学的角度,来源于细菌、真菌和植物ELMs在环境修复、生态友好型建筑和可持续能源应用领域的最新研究进展和新兴设计策略进行了探讨。虽然合成生物学的指导下的ELMs取得了许多显著进展,但仍面临一些挑战。首先,很多ELMs都是基于单一细菌的,真菌和植物构建的ELMs相对较少限制了多功能ELMs的联合应用。其次,在细菌ELMs中设计复杂的基因电路成功率低、工作量,而在真菌和植物中开发此类方法主要受限于转化率低和细胞生命周期。第三,ELMs的稳定性和性能需要进一步提高。第四由于ELMs 在大规模生产、伦理道德和生物安全方面仍存在问题,制约了其工业上的应用未来,克服这些挑战将推动ELMs的发展进入一个新时代,实现智能、可控、功能性和安全性ELMs的制造。这些ELMs将广泛应用于环境保护、可持续能源开发、太空探索、疾病治疗、食品生产等领域,包括未来可能开辟的新领域。然而,要实现这一愿景,必须有效应对当前的挑战,并确保ELMs领域的成功融合

 

本工作获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目和深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。

 

招聘

卞光凯博士,中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员,博士生导师,材料合成生物学研究中心PI。研究方向主要聚焦于天然产物生物合成与高产,真菌生物材料的理论及应用研究。近5年来,在NatureNat. Catal.Nat. Commun.Adv. Mater.PNASJACSAngew. ChemMetab. Eng.等期刊上发表一作和通讯文章十余篇。主持国家自然科学基金青年及面上项目、承担科技部重点研发计划等科研项目等多项经费(实验室主页http://isynbio.siat.ac.cn/BianLab/)。

课题组现招合成生物学、代谢工程、生物材料、天然产物生物合成、人工智能背景的博后,欢迎感兴趣的同志投递简历至邮箱gk.bian@siat.ac.cn