12月22日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院戴卓君課題組與先進(jìn)集成技術(shù)研究所劉志遠(yuǎn)課題組合作的最新研究成果，發(fā)表于Nature Chemical biology上。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)活體功能材料領(lǐng)域，提出了全新的可快速修復(fù)的活體材料構(gòu)建思路，并將該思路轉(zhuǎn)化成普適的活體材料組合方法，將其推廣應(yīng)用于智能制造及可穿戴設(shè)備的組裝等全新的應(yīng)用領(lǐng)域。該成果是研究團(tuán)隊(duì)在合成生物學(xué)領(lǐng)域融合生物技術(shù)（BT）與信息技術(shù)（IT）的一次新嘗試。

自修復(fù)材料并非是近年來(lái)才提出的概念。此前，國(guó)外某服飾品牌推出過(guò)能自動(dòng)修復(fù)的衣服材料，其原理是通過(guò)提高線的強(qiáng)度，使鐵釘插入后不能將線割斷而只是把線撥開(kāi)，然而其局限性大，面對(duì)如銳器等造成的割裂，其修復(fù)功能便不再能發(fā)揮作用。此后，科學(xué)家將目光投向紡織品的涂層材料上。魷魚的環(huán)齒蛋白（SRT）蛋白具有“自愈”性能，在帶有SRT蛋白涂層的紡織品上滴幾滴溫水，再將斷面重疊在一起按壓60秒左右，斷面會(huì)重新連接起來(lái)。然而，這一材料與理想的自修復(fù)材料仍有很大差距。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一方面，這樣的修復(fù)方式無(wú)法使斷裂面通過(guò)自修復(fù)而彌合；另一方面，提純后的蛋白材料也不再具有活細(xì)胞可編程的特性。

合成生物學(xué)的快速發(fā)展使得利用智能生物活體材料實(shí)現(xiàn)自修復(fù)過(guò)程成為可能。傳統(tǒng)的活體材料提出依靠微生物的生長(zhǎng)繁殖實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，該過(guò)程往往需要花費(fèi)數(shù)十小時(shí)甚至幾天時(shí)間，限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。為此，研究團(tuán)隊(duì)從修復(fù)原理上找到了縮短材料修復(fù)時(shí)間的方法?？乖涂贵w分子在結(jié)構(gòu)上有一定的互補(bǔ)性（依靠分子間作用力形成非共價(jià)結(jié)合），使得它們?cè)跇O短時(shí)間內(nèi)就可以發(fā)生特異的相互作用而穩(wěn)定結(jié)合起來(lái)。這種結(jié)合力在外力破壞后可以迅速還原，即實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)?；谠撛?，科研人員分別構(gòu)建了表面展示有抗原和納米抗體的兩種工程菌株，再以一定比例將兩種菌株混合，通過(guò)抗原-抗體間的快速相互作用，制備出穩(wěn)定的，具有高效自修復(fù)能力的LAMBA前體材料。由于LAMBA前體材料性質(zhì)與水凝膠相近，因此，結(jié)合傳統(tǒng)材料加工工藝（如3D打印、微流控等）就可以將LAMBA材料自由地加工成形態(tài)、性能各異的材料。

　　合格的自修復(fù)材料應(yīng)是智能的，生物活體材料的優(yōu)勢(shì)之一在于微生物強(qiáng)大的可編程能力。因此，研究團(tuán)隊(duì)從兩方面開(kāi)展探究。一方面，通過(guò)在兩種工程細(xì)菌表面展示酶和納米催化劑，然后將其制成LAMBA材料，將農(nóng)藥的主要成分對(duì)氧磷降解為低毒害的對(duì)氨基苯酚；另一方面，在一種細(xì)菌表面展示淀粉水解酶而在另一種細(xì)菌胞內(nèi)表達(dá)海藻糖合成酶，這樣，淀粉先被淀粉水解酶轉(zhuǎn)化為麥芽糖，然后麥芽糖作為底物再被運(yùn)輸?shù)搅硪环N工程菌胞內(nèi)被海藻糖合酶轉(zhuǎn)化為海藻糖。

　　LAMBA材料具備較強(qiáng)的自修復(fù)能力以及智能編程能力啟發(fā)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究其在可穿戴設(shè)備和生物傳感器上的應(yīng)用?？纱┐髟O(shè)備能通過(guò)檢測(cè)人體基本生理信號(hào)達(dá)到日常健康檢測(cè)、輔助康復(fù)治療等效果，良好的拉伸性能和導(dǎo)電性能是其正常運(yùn)行的前提。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，即使經(jīng)過(guò)反復(fù)循環(huán)拉伸，LAMBA材料的導(dǎo)電性能依然能維持穩(wěn)定。遭破壞后，LAMBA材料可在短時(shí)間內(nèi)快速修復(fù)至原有性能。

　　人體神經(jīng)肌肉活動(dòng)均伴隨著電生理信號(hào)的產(chǎn)生，電生理傳感器可用于不同頻率神經(jīng)肌肉電生理信號(hào)的捕捉。對(duì)肌肉電信號(hào)的準(zhǔn)確獲取，一方面可以用于評(píng)估肌肉的健康狀態(tài)，另一方面也可以用于計(jì)算評(píng)估人體瞬時(shí)的動(dòng)作意圖，進(jìn)而去控制外部設(shè)備，如假肢和外骨骼等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，柔性LAMBA電生理傳感器可以準(zhǔn)確捕捉到肌肉電信號(hào)，并且相比于相同方法制備的單菌或金薄膜傳感器顯示了更好的信噪比。作為柔性材料，LAMBA在應(yīng)變傳感器的制備中也具有顯著優(yōu)勢(shì)，與金薄膜制成的傳感器相比，柔性LAMBA應(yīng)變傳感器能更加均勻地反應(yīng)形變程度。

　　綜上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明出一種具有快速自我修復(fù)能力的活體材料，材料的卓越性能使其在諸多領(lǐng)域均有較大應(yīng)用前景。

　　IT技術(shù)與BT技術(shù)是影響人類未來(lái)發(fā)展的兩大技術(shù)，一直以來(lái)，科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界對(duì)兩個(gè)領(lǐng)域相互融合、交叉研究充滿期待?！拔覀兿Ｍㄟ^(guò)該研究建立一種活體材料組裝的新方法，在活體生物可編程的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入高分子物理及化學(xué)合成中的理論賦予微生物新的特性，使組裝的材料具有快速自愈合的特性，并初步嘗試了IT與BT的融合，我們也在推進(jìn)其他相關(guān)的各項(xiàng)有趣研究，期待并相信合成生物可以帶來(lái)無(wú)限可能?！蓖ㄓ嵶髡叽髯烤硎?。

　　中科院院士、上海交通大學(xué)教授樊春海表示，該工作在活體材料的設(shè)計(jì)與編輯中跨出了一大步。將高分子學(xué)科中積累的經(jīng)典體系跨學(xué)科地引入合成生物學(xué)，提示在未來(lái)的活體材料設(shè)計(jì)中，可以學(xué)習(xí)和借鑒其他材料科學(xué)的優(yōu)秀體系。中科院院士、深圳先進(jìn)院合成所首席科學(xué)家趙國(guó)屏表示，該成果聚焦活體功能材料領(lǐng)域，挑戰(zhàn)了活體材料分鐘內(nèi)自愈這個(gè)單純依靠細(xì)胞分裂無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題。該工作進(jìn)一步將活體材料與多種可穿戴器件組裝在一起，如肌肉電信號(hào)傳感器以及應(yīng)變傳感器，突破了生命體與非生命器件的界限，拓展了活體材料的構(gòu)建框架和應(yīng)用領(lǐng)域，是化學(xué)生物學(xué)及生物技術(shù)與材料科學(xué)和工程科學(xué)學(xué)科交叉“會(huì)聚”研究的一個(gè)范例。

　　論文鏈接

　　LAMBA材料的局部示意圖，圖中紅色和藍(lán)色卡通形象分別表示表面展示有抗原和納米抗體的兩種工程菌，通過(guò)抗原-抗體的快速結(jié)合實(shí)現(xiàn)LAMBA材料的超強(qiáng)修復(fù)能力

LAMBA材料具備優(yōu)異的拉伸性能，適合可穿戴設(shè)備或衣物的制造

來(lái)源： 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院