微生物微納米生物制造的前沿與展望

石志軍，史續(xù)典，孫臻，楊光

1 華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，湖北 武漢 4300742 華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 國(guó)家納米藥物工程技術(shù)中心，湖北 武漢 430074

微生物微納米生物制造的前沿與展望

石志軍1,2，史續(xù)典1,2，孫臻1,2，楊光1,2

1 華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，湖北 武漢 430074
2 華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 國(guó)家納米藥物工程技術(shù)中心，湖北 武漢 430074

石志軍, 史續(xù)典, 孫臻, 等. 微生物微納米生物制造的前沿與展望. 生物工程學(xué)報(bào), 2013, 29(2): 131?140.

Shi ZJ, Shi XD, Sun Z, et al. Frontier and prospect of micro/nano biofabrication based on microbes. Chin J Biotech, 2013,29(2): 131?140.

自然界中微生物種類(lèi)極為豐富，尺寸涵蓋了納米級(jí)與微米級(jí)。微生物細(xì)胞培養(yǎng)成本低廉，生長(zhǎng)繁殖迅速，具有豐富的遺傳表現(xiàn)型，因此微生物是可用于納米、微米以及多層次跨尺度加工的天然“基本單元”和“底盤(pán)細(xì)胞”?！盎谖⑸铩钡纳镏圃炷康氖抢梦⑸锏奶禺惤Y(jié)構(gòu)和多樣功能進(jìn)行仿生和調(diào)控，操縱微生物進(jìn)行加工組裝，從而獲得新材料、新器件。同時(shí)，建立深入研究微生物行為模式的新技術(shù)與新方法，為揭示傳統(tǒng)方法所未涉及的基本科學(xué)問(wèn)題提供新的平臺(tái)。以下將分別從納米和微米兩個(gè)尺度以及利用微生物的結(jié)構(gòu)或功能兩個(gè)角度來(lái)概述基于微生物的微納米生物制造的前沿進(jìn)展。

微生物，生物制造，微納米，有序組裝，表面修飾，圖案化排列

生物制造的概念從廣義上來(lái)講涵蓋了生物產(chǎn)業(yè)中所有醫(yī)藥、農(nóng)林、工業(yè)領(lǐng)域的工程制造技術(shù)，它們統(tǒng)稱(chēng)為生物制造技術(shù)。而狹義的生物制造概念即是指生物組裝 (Biofabrication)，它是一門(mén)技術(shù)學(xué)科，而非基礎(chǔ)學(xué)科，是生物技術(shù)深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用的產(chǎn)物，它將生命科學(xué)、材料科學(xué)以及生物技術(shù)融入到制造學(xué)科中。生物制造圍繞生物分子、胞外產(chǎn)物、活細(xì)胞等為構(gòu)建主體，其制造過(guò)程或最終產(chǎn)品均需遵循生命體的特質(zhì)。通常生物制造包括仿生制造、生物質(zhì)和生物體制造，運(yùn)用現(xiàn)代制造科學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法，通過(guò)細(xì)胞或微生物的受控三維加工和組裝，制造新材料、器件及生物系統(tǒng)[1-3]。

自然界中的微生物種類(lèi)繁多，形態(tài)與生物學(xué)功能各異，其個(gè)體尺寸可從幾十納米到幾十微米，具有極強(qiáng)的生命力和適應(yīng)性，能夠以較低成本進(jìn)行大批量培養(yǎng)，還可定向培育新品種，在微納米加工領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，因此微生物是可用于從納米到微米以及多層次跨尺度加工的天然“基本單元”和“底盤(pán)細(xì)胞”。以微生物為基礎(chǔ)的生物制造既可以巧妙通過(guò)微生物的特異結(jié)構(gòu)來(lái)重組和再設(shè)計(jì)，又可以高效利用其代謝產(chǎn)物，在生物制造學(xué)科中開(kāi)辟了新的天地。

1 納米與微米尺度的微生物制造方法

生物體內(nèi)的物質(zhì)如各種蛋白的尺寸在1～100 nm之間，病毒以及細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的尺寸在10 nm到1 μm之間，細(xì)菌細(xì)胞的大小通常在微米級(jí)范圍內(nèi)，而細(xì)菌以群落形式存在則可延伸到宏觀(guān)尺度。如圖1所示，根據(jù)研究對(duì)象的不同尺度，可將微生物制造的方法分為納米尺度和微米尺度兩類(lèi)。

1.1 納米尺度的微生物制造方法

納米結(jié)構(gòu)尺寸大小在1～100 nm之間。納米尺寸范圍內(nèi)的微生物主要是部分病毒個(gè)體以及細(xì)菌、真菌的局部結(jié)構(gòu)或細(xì)胞器，因此納米尺度的微生物制造方法主要集中于研究如何對(duì)微生物個(gè)體 (主要是病毒) 進(jìn)行改性修飾。納米顆粒如量子點(diǎn)、納米金顆粒、納米銀顆粒、磁性納米顆粒等已作為重要的修飾改性材料頻繁應(yīng)用于生物學(xué)的研究之中，納米顆粒的尺寸與生物體中的蛋白質(zhì)、核酸等大分子相匹配。病毒具有規(guī)則和特異的納米結(jié)構(gòu)，將不同特性的納米顆粒修飾于病毒個(gè)體表面，可望開(kāi)發(fā)出新型納米功能材料或器件。

Blum等以二十面體豌豆花葉病毒作為支架，將2 nm和5 nm的金納米顆粒修飾于其表面，構(gòu)建了三維導(dǎo)電分子網(wǎng)絡(luò)[4]。Belcher等使用基因改造過(guò)的 M13桿狀病毒作為模板合成了 Au、Co3O4納米線(xiàn)，具有作為鋰離子電池電極材料的應(yīng)用潛力[5]。Mao等利用病毒為微模板對(duì)其進(jìn)行各種不同的改性修飾，成功裝配出磁性納米線(xiàn)、半導(dǎo)體納米線(xiàn)以及量子點(diǎn)納米線(xiàn)[6-7]。

微生物制造的方法通過(guò)與傳統(tǒng)的微生物生理學(xué)、遺傳學(xué)、基因組學(xué)、生物化學(xué)的有機(jī)結(jié)合，可進(jìn)一步拓展微生物研究的外延與內(nèi)涵。納米粒子也將有可能用于研究一系列有趣的細(xì)菌結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，包括細(xì)胞壁運(yùn)輸?shù)姆肿訖C(jī)制、肽聚糖的物理結(jié)構(gòu)、細(xì)菌細(xì)胞中亞細(xì)胞組織的蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)與功能等[8-10]。

1.2 微米尺度的微生物制造方法

大部分的單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞或者小的微生物群體的尺寸大小在100 nm到100 μm之間。微米尺度的微生物制造方法主要集中于研究如何隔離、操縱單個(gè)微生物細(xì)胞的行為以及對(duì)微生物群體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)行為的誘導(dǎo)、有序定位和圖案化排列。通過(guò)微流控技術(shù)[11]、生物打印技術(shù)[12-13]、分子模板技術(shù)、基于電紡[14-15]的生物支架材料技術(shù)等多種生物組裝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物個(gè)體及群體的調(diào)控。通過(guò)這些外力的約束來(lái)對(duì)微生物的生存環(huán)境進(jìn)行精確控制，或?qū)ξ⑸镞M(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)與定位有序排列，從而設(shè)計(jì)和創(chuàng)制新型功能材料。

另一方面，微生物的生長(zhǎng)、代謝和行為是受其生存環(huán)境影響的，而在生物制造過(guò)程中，通常會(huì)用一些物理、化學(xué)的調(diào)控過(guò)程，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物的形狀、運(yùn)動(dòng)空間、表面電荷、溶液成分等的可控調(diào)節(jié)。研究微生物的新材料與新方法在控制微生物的微環(huán)境的前提下，將可能在新的視野水平下研究微生物的生理與行為模式細(xì)節(jié)，這既有助于更高效地開(kāi)發(fā)和利用微生物進(jìn)行生物制造，又可闡明傳統(tǒng)的微生物研究方法所無(wú)法解決的基本科學(xué)問(wèn)題。

圖1 在不同尺度范圍內(nèi)的不同微生物制造方法[5,8,16]Fig. 1 Different biofabrication methods on microbes between micro- and nano-scale[5,8,16].

1.2.1 軟蝕刻技術(shù)與微流控技術(shù)

軟蝕刻技術(shù)是通過(guò)印刷、成型、壓花在模板表面制造納米、微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這一技術(shù)能在軟材料上印刷、成型。模板材料不僅僅局限于玻璃、硅板，可進(jìn)一步在高分子、凝膠、有機(jī)單體上進(jìn)行蝕刻[17]。這些軟材料價(jià)格低廉、制作簡(jiǎn)單、且生物相容性良好，被廣泛用于生物方面的研究。

微流控系統(tǒng)具有微米級(jí)尺寸的管道，用于精確控制小體積的流體。微流控系統(tǒng)建立的微結(jié)構(gòu)，可用于單個(gè)微生物細(xì)胞的分離與研究，改變與控制細(xì)胞的形狀，研究細(xì)菌在微流體中的流變性能[18]。

微流控技術(shù)在微生物領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，Whitesides指出微流控技術(shù)作為一種工具將可應(yīng)用于微生物的單細(xì)胞操作，控制胞外環(huán)境的瞬時(shí)轉(zhuǎn)變，以及用于微生物生理及運(yùn)動(dòng)的研究等[11]。Balaban等通過(guò)微流體通道監(jiān)控抗生素對(duì)大腸桿菌生命周期的影響，并根據(jù)結(jié)果提出數(shù)學(xué)表達(dá)式，這一研究利用微流體系統(tǒng)簡(jiǎn)化了定量表征菌種存活時(shí)間和分析其表型轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，對(duì)生物學(xué)研究和臨床應(yīng)用有重要意義[19-20]。DiLuzio等研究了大腸桿菌在微流管道中的多樣運(yùn)動(dòng)性，不同的材料表面對(duì)細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)有趨向性影響[21]。在細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)施加一定的機(jī)械力作用，可以改變細(xì)胞的形態(tài)[22]。例如機(jī)械應(yīng)力對(duì)裂殖酵母作用，可改變細(xì)胞的極性以及形狀[23]；將單個(gè)的大腸桿菌細(xì)胞在微管道中培養(yǎng)成自定義形狀的技術(shù)，有助于研究機(jī)械應(yīng)力對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響[24]。

1.2.2 微生物細(xì)胞的固定與分子模板技術(shù)

軟蝕刻技術(shù)與微流控技術(shù)為調(diào)控微生物的行為提供了微平臺(tái)，而如何固定化細(xì)胞，使其在這些微平臺(tái)上生長(zhǎng)、繁殖，并對(duì)環(huán)境的改變做出相應(yīng)的反應(yīng)，是微生物進(jìn)行有序定位或圖案化排列的必備條件之一。微生物細(xì)胞的固定化也為生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)和基本的細(xì)菌學(xué)研究提供了新方法。

微生物細(xì)胞的固定化不僅要高效、穩(wěn)定、可重復(fù)地將細(xì)胞固定在模板上，而且要能夠使其維持自我生長(zhǎng)。目前報(bào)道的有效固定化微生物的方法主要分為兩大類(lèi)：特異性固定和非特異性固定。

微生物細(xì)胞的特異性固定主要依賴(lài)于微生物細(xì)胞表面或者鞭毛上合適的抗體抗原對(duì)之間的相互作用?？贵w修飾的基板已用于固定和檢測(cè)致病細(xì)菌，且抗體固定方法并不影響細(xì)菌的分裂與增殖[25-26]。Zhiyong Suo等研究了沙門(mén)傷寒桿菌表面多對(duì)不同抗原-抗體反應(yīng)，用以模板化固定細(xì)菌細(xì)胞。針對(duì)的細(xì)菌抗原包括CFA/I菌毛、鞭毛、脂多糖、F1蛋白抗原等。結(jié)果表明細(xì)菌通過(guò)抗原抗體免疫固定的細(xì)胞芯片，2周時(shí)間都保持活性并可持續(xù)實(shí)現(xiàn)其功能[27]。

非特異性固定是通過(guò)化學(xué)處理的表面對(duì)細(xì)胞的非特異性吸附，或者微生物細(xì)胞通過(guò)物理作用圈禁在微孔或凝膠中。利用物理方法固定微生物細(xì)胞，固定模板是多孔材料或者表面通過(guò)蝕刻、光刻等方法制造微孔矩陣。例如，有文獻(xiàn)報(bào)道將細(xì)菌細(xì)胞矩陣印刷在多孔尼龍材料中，細(xì)胞圈禁在尼龍材料表面的微孔中[28]。在硅板、玻璃板、PDMS等表面通過(guò)蝕刻或者光刻，得到微孔矩陣的表面，然后在微孔周?chē)坑幸粚泳垡叶?，由于聚乙二醇排斥?xì)菌細(xì)胞吸附，而使細(xì)胞固定在未涂有聚乙二醇的微孔中[29]。也可將細(xì)菌固定在光纖維束陣列中，這種光纖維可以作為開(kāi)發(fā)核酸和細(xì)胞傳感器的材料，以DNA為探針的傳感器將可用于基因組學(xué)的研究和微生物病原體的檢測(cè)，基于細(xì)胞活體的傳感器將可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和單個(gè)細(xì)胞的功能性研究[30-31]。

分子模板技術(shù)是通過(guò)化學(xué)處理的表面來(lái)對(duì)細(xì)胞表面某些基團(tuán)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行非特異性吸附的一種技術(shù)，通常是通過(guò)氫鍵的相互作用來(lái)固定。利用分子模板的圖案來(lái)使其可吸附的分子圖案化排列。采用有序纖維素高分子模板在室溫下可誘導(dǎo)木醋桿菌的生物合成。該模板可通過(guò)羥基之間的氫鍵相互作用吸附纖維素，而木醋桿菌分泌了一種胞外產(chǎn)物——細(xì)菌纖維素，它是自然界中一種具有納米結(jié)構(gòu)的天然纖維，在傷口愈合材料、人造血管以及食品添加劑等方面有廣泛的應(yīng)用[32]。細(xì)菌纖維素的分泌與微生物的運(yùn)動(dòng)相關(guān)，通過(guò)分子模板與細(xì)菌纖維素的相互作用可以調(diào)控細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)模式，從而調(diào)控細(xì)菌纖維素的有序合成，形成有序圖案化納米纖維 (圖 2)，并可堆積成有序的三維結(jié)構(gòu)材料[33]。利用木醋桿菌分泌細(xì)菌纖維素的特點(diǎn)，已合成了有序化纖維素納米纖維，能夠在微納米尺度上有序構(gòu)建纖維素支架。用于細(xì)胞工程、組織工程修復(fù)與構(gòu)建等領(lǐng)域。

1.2.3 微生物運(yùn)動(dòng)及排列的其他調(diào)控技術(shù)

圖 2 圖案化的細(xì)菌纖維素[2]Fig. 2 Patterned bacterial cellulose[2].

對(duì)木醋桿菌合成細(xì)菌纖維素的調(diào)控，Sano等研究了在電場(chǎng)中通過(guò)水電解產(chǎn)生氧氣，來(lái)調(diào)控趨氧性的木醋桿菌生產(chǎn)三維結(jié)構(gòu)的納米纖維素[34]。Liu等將靜電紡技術(shù)應(yīng)用于微生物的固定化，分別將大腸桿菌等幾種微生物的凝膠體系紡成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而將微生物埋植于這些紡絲中，并研究了在其中微生物可存活的時(shí)間，這一技術(shù)對(duì)微生物在生物反應(yīng)器領(lǐng)域的應(yīng)用或?qū)⒘肀脔鑿絒35]。

生物打印技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助建模來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化定位控制，主要用于“打印”組織支架材料以及組織細(xì)胞。而這種數(shù)控技術(shù)同樣可以應(yīng)用于微生物的分隔與定位，比如Melamed等將大腸桿菌“打印”于納升級(jí)的微生物細(xì)胞感測(cè)器陣列[36]。通過(guò)生物打印技術(shù)，將微生物分隔定位，由此設(shè)計(jì)特定的個(gè)性化微環(huán)境，探尋不同化學(xué)環(huán)境、力學(xué)約束等條件下微生物的個(gè)體生長(zhǎng)、代謝與行為模式，進(jìn)而可揭示微生物定位調(diào)控的原理和多層次精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。

在這多學(xué)科綜合與交叉的新興研究領(lǐng)域，有望創(chuàng)建更多微生物定向誘導(dǎo)與定位排列的新方法，可為新型微納功能材料及器件的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)基礎(chǔ)，為微生物的基礎(chǔ)研究提供新的平臺(tái)。

2 微生物作為不同“基本單元”的生物制造

微生物作為可用于微納米加工的“基本單元”和“底盤(pán)細(xì)胞”，一方面其形態(tài)各異，有不同的尺寸和形狀，可以作為微納米加工中的基本結(jié)構(gòu)單元；另一方面其功能各異，有不同的代謝途徑和代謝產(chǎn)物，便于改造和控制，這又決定了微生物可作為微納米加工過(guò)程中的基本功能單元——“微納機(jī)器人”，來(lái)實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)功能。

2.1 微生物作為基本結(jié)構(gòu)單元

圖 3 微生物在生物制造中作為基本結(jié)構(gòu)單元或基本功能單元Fig. 3 Microbes were manipulated as structured“building blocks” or functional "micro/nano robots" in biofabrication.

微生物作為基本結(jié)構(gòu)單元的生物制造，主要是以微生物的天然形狀、表面的結(jié)構(gòu)位點(diǎn)或基團(tuán)等為模板，于其上進(jìn)行化學(xué)、物理、生物等各種方法的修飾，從而可得到相應(yīng)微結(jié)構(gòu)的材料或器件 (圖3)。微生物的有序排列如果基于微生物的結(jié)構(gòu)，將規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元圖案化聚集，則可以此直接形成微納米器件或者再通過(guò)去除成型的原理“蝕刻”出圖案化多孔材料。在基于微生物結(jié)構(gòu)的生物制造過(guò)程中，往往對(duì)微生物是否仍存活并無(wú)要求，很可能在這些修飾過(guò)程中，微生物將失去原有活性。

病毒是一種理想的微生物模板，病毒的大小變動(dòng)于20～450 nm之間，形態(tài)結(jié)構(gòu)多樣，如球狀(包括二十面體)、桿狀 (包括棒狀)、絲狀、螺旋狀以及復(fù)雜構(gòu)型。病毒結(jié)構(gòu)獨(dú)特，利用其結(jié)構(gòu)可以作為各種功能微納器件的模板，以病毒作為模板的例子在前文已有提及。

細(xì)菌同樣也可以作為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)模板而得到應(yīng)用，其尺寸通常在幾微米到幾十微米，形狀各異，有球狀 (包括橢球裝)、桿狀、螺旋狀等。比如Zhang等以芽胞桿菌為模板，在其表面包裹了厚約150～200 nm的Co-Ni-P金屬鍍層，從而制得這種微米級(jí)的中空棒狀金屬材料[37]。

硅藻的細(xì)胞壁由透明的 SiO2組成，機(jī)械強(qiáng)度良好, 具有多級(jí)微納米孔隙和微結(jié)構(gòu)，直接利用硅藻殼體為生物制造模板，可獲得結(jié)構(gòu)精細(xì)的硅藻器件，如對(duì)殼體直接處理，可獲得微納結(jié)構(gòu)良好的MgO[38]、Si[39]和TiO2[40]殼體等。而進(jìn)一步通過(guò)微加工、改質(zhì)處理、與器件的裝配連接、排列定位與組裝的方法，可拓展殼體功能，滿(mǎn)足更多微器件的設(shè)計(jì)要求，如以殼體為模板的包覆(去除)處理，可獲得具有殼體形貌的新材質(zhì)翻模結(jié)構(gòu)[41-44]。

螺旋藻是一種微米級(jí)的具有天然的螺旋狀結(jié)構(gòu)的微生物。以螺旋藻細(xì)胞為結(jié)構(gòu)模板，通過(guò)化學(xué)沉積的方法，將銀[45]和Ni-Fe合金[46]沉積在細(xì)胞結(jié)構(gòu)表面，可分別獲得電學(xué)性能良好以及具有電磁特性的精細(xì)螺旋軟筒狀材料。

2.2 微生物作為基本功能單元

利用微生物功能的生物制造，主要是利用某些微生物機(jī)體的特殊的代謝、分泌等生理功能，來(lái)制造微納米材料比如量子點(diǎn)、磁小體等。而另一方面，將功能單元圖案化組裝，這意味著活性位點(diǎn)的有序排列或者胞外代謝產(chǎn)物的圖案化，如酶、激素及活性分子在時(shí)間與空間上的調(diào)控，可利用其代謝生理功能作為傳感器、激發(fā)器等。又比如前文所闡述的分子模板誘導(dǎo)細(xì)菌胞外產(chǎn)物細(xì)菌纖維素的圖案化自組裝，這些都是基于微生物功能所制造的材料或器件。利用微生物的生理功能進(jìn)行的生物制造，通常都要求在整個(gè)控制過(guò)程中，微生物都保持活性，以便于進(jìn)行其作為“微納機(jī)器人”的工作。

量子點(diǎn)在生物機(jī)體內(nèi)的毒性和非特異性問(wèn)題極大限制了量子點(diǎn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。在量子點(diǎn)表面包裹生物相容性材料可降低其細(xì)胞毒性，利用生物制造的方法可以得到良好生物相容性的量子點(diǎn)。比如量子點(diǎn)前體顆粒在大腸桿菌胞外結(jié)晶成長(zhǎng)，再與細(xì)菌分泌的蛋白結(jié)合，包裹在量子點(diǎn)表面[47]。還可通過(guò)時(shí)空偶聯(lián)酵母菌內(nèi)的非自然存在的生化反應(yīng)途徑的方法，在酵母細(xì)胞內(nèi)合成量子點(diǎn)，并可通過(guò)培養(yǎng)條件的控制，來(lái)改變生物合成量子點(diǎn)的尺寸[48]。

趨磁細(xì)菌是一類(lèi)能夠沿著磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的革蘭氏陰性細(xì)菌，它們以球狀、桿狀、螺旋狀抑或多細(xì)胞形式存在于自然界中[49]。這類(lèi)細(xì)菌體內(nèi)都具有晶形獨(dú)特的、由膜包裹的磁性顆?！判◇w。磁小體尺寸一般為30～140 nm，化學(xué)成分主要是Fe3O4或者Fe3S4。趨磁細(xì)菌可通過(guò)分泌生產(chǎn)細(xì)菌磁性納米顆粒，Jaeha Shin等報(bào)道了用一種磁螺旋桿菌可生產(chǎn)細(xì)菌磁性納米顆粒，這種磁性納米顆粒具有強(qiáng)磁響應(yīng)性，能夠分散在水溶液中，并具有良好的生物相容性，可與生物分子發(fā)生共軛反應(yīng)。這種細(xì)菌磁性納米顆粒被攝入到希拉細(xì)胞、人類(lèi)癌細(xì)胞中，進(jìn)一步研究了細(xì)菌磁性顆粒在細(xì)胞中對(duì)細(xì)胞通路、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡等的影響[50]。

自然界中有一類(lèi)“靠吃礦石為生”的微生物，它們?cè)谏餄穹ㄒ苯疬^(guò)程中發(fā)揮著重要作用。比如氧化亞鐵硫桿菌，作為浸礦的主要菌種，已廣泛應(yīng)用于多種金屬的浸出。Hocheng等報(bào)道了利用其代謝特點(diǎn)外加激光誘導(dǎo)來(lái)進(jìn)行圖案化金屬銅沉積的新方法[51]。

3 結(jié)論與展望

基于微生物的生物制造，將微生物作為微納米加工的基本結(jié)構(gòu)單元或功能單元，在納米尺度，對(duì)微生物進(jìn)行各種加工修飾，在微米尺度，對(duì)微生物進(jìn)行各種有序調(diào)控，組裝新型微納米功能材料與器件。表1對(duì)文中提到的各種微生物制造方法進(jìn)行了總結(jié)。這些用于微生物的新技術(shù)新方法同時(shí)為深入研究微生物的行為模式，揭示傳統(tǒng)方法所未涉及的基本科學(xué)問(wèn)題提供了新的平臺(tái)。此外，通過(guò)多層次組裝，還有望設(shè)計(jì)和構(gòu)筑更為復(fù)雜的體系，在多層次跨尺度的有序材料構(gòu)筑中，以被修飾或改造的微生物個(gè)體作為結(jié)構(gòu)或功能的有序單元，而微生物群體的有序排列則可作為更高一層次的有序組裝，以實(shí)現(xiàn)多層次跨尺度的精密系統(tǒng)的構(gòu)筑。

表1 微生物生物制造的方法Table 1 Biofabrication methods based on microbes

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September 7, 2012; Accepted: December 20, 2012

Guang Yang. Tel: +86-27-87793523; Fax: +86-27-87792265; E-mail: yang_sunny@yahoo.com

國(guó)家自然科學(xué)基金 (Nos. 21074041，31270150) 資助。Abstract: Microbe is extremely abundant in nature, and its size has a very wide coverage from nano- to micro-scale making it suitable to be processed at multi-scale level as natural "building blocks" and "chassis cells". Biofabrication based on microbes is an artificial manipulation on microbes to assemble functional materials and devices by using the specific structures and various biological functions of microbes. In the meantime, the novel strategies of biofarication enables us to study the behavioral details of microbes, which will provide new platforms for uncovering the unsolved basic scientific problems of microbes. In this paper, we reviewed the frontier and progress in biofabrication from nano- and micro-scale in microbes that were manipulated as structured "building blocks" or functional "micro/nano robots".

Frontier and prospect of micro/nano biofabrication based on microbes

Zhijun Shi1,2, Xudian Shi1,2, Zhen Sun1,2, and Guang Yang1,2

1Department of Biomedical Engineering,College of Life Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074,Hubei,China
2National Engineering Research Center for Nano-Medicine,College of Life Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074,Hubei,China

microbes, biofabrication, micro/nano, ordered assembly, surface modification, patterned arrangement

Supported by: National Natural Science Foundation of China (Nos. 21074041, 31270150).

(本文責(zé)編 郝麗芳)