我國科學(xué)家設(shè)計出快速自愈的活體材料

活體材料，一個聽起來就讓人有無限遐想的名詞，如果再加上一個定語“快速自愈”呢？這對當(dāng)下的人來說就更像是一種魔法了。正如偉大的科幻小說家亞瑟·克拉克（《2001太空漫游》作者）所說：“任何足夠先進的科技，都與魔法無異?！比缃?，這種聽起來“與魔法無異”的科技，正在被深圳科學(xué)家攻克。

2021年12月22日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成所、深圳合成院戴卓君課題組與集成所劉志遠(yuǎn)課題組合作的最新研究成果發(fā)表于《自然》期刊的子刊《自然化學(xué)生物學(xué)》。研究團隊針對活體功能材料這一領(lǐng)域，提出了一種全新的可快速修復(fù)的活體材料構(gòu)建思路，并進一步將這種思路轉(zhuǎn)化成一種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。

未來這種材料可以應(yīng)用在軍事、科技等諸多領(lǐng)域，毫無疑問，這是合成生物學(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。

生物活體材料實現(xiàn)強大的自修復(fù)能力

自修復(fù)材料并非是近些年來才提出的概念。美國某服飾品牌此前就推出過能自動修復(fù)的衣服材料，其原理非常簡單，只是通過提高線的強度，使鐵釘插入后不能將線割斷而只是把線撥開。然而這樣的材料其局限性很大，面對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）具有“自愈”性能，在帶有SRT蛋白涂層的紡織品上滴幾滴溫水，再把斷面重疊在一起按壓60 s左右，斷面就會重新連接起來。

然而，這樣的自修復(fù)材料與人們想象中的自修復(fù)材料還有很大差距，簡單來說，這樣的修復(fù)方式無法使斷裂面通過自修復(fù)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現(xiàn)自修復(fù)過程成為可能。傳統(tǒng)的活體材料提出依靠微生物的生長繁殖實現(xiàn)自修復(fù)，這一過程往往需要花費數(shù)十小時甚至幾天的時間，這樣漫長的修復(fù)時間極大地限制了其應(yīng)用場景。對此，研究團隊從修復(fù)原理上另辟蹊徑，找到了一種能極大縮短材料修復(fù)時間的方法。

抗原和抗體分子在結(jié)構(gòu)上有一定的互補性（依靠分子間作用力形成非共價結(jié)合），使得它們在極短的時間內(nèi)就可以發(fā)生特異的相互作用而穩(wěn)定地結(jié)合起來。這種結(jié)合力在外力破壞后可以迅速還原，即實現(xiàn)快速修復(fù)。基于這一原理，團隊分別構(gòu)建了表面展示有抗原和納米抗體的兩種工程菌株，之后，再以一定比例將兩種菌株混合，通過抗原-抗體間的快速相互作用，制備出了穩(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)的材料加工工藝（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。

“可編程”活體材料讓設(shè)備更智能

合格的自修復(fù)材料還應(yīng)該是智能的，生物活體材料最大的優(yōu)勢之一就在于微生物強大的可編程能力，因此，研究團隊也從兩方面對此進行了探究。

一方面，通過在兩種工程細(xì)菌表面展示酶和納米催化劑，然后將其制成LAMBA材料，最終成功將農(nóng)藥的主要成分對氧磷降解為低毒害的對氨基苯酚。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材料具備的超強自修復(fù)能力以及智能編程能力啟發(fā)研究團隊進一步探究其在可穿戴設(shè)備和生物傳感器上的應(yīng)用。

可穿戴設(shè)備能通過檢測人體基本生理信號達(dá)到日常健康檢測、輔助康復(fù)治療等效果，良好的拉伸性能和導(dǎo)電性能是其正常運行的前提。經(jīng)測驗，即使經(jīng)過反復(fù)循環(huán)拉伸，LAMBA材料的導(dǎo)電性能依然能維持穩(wěn)定。且遭破壞后，LAMBA材料可在短時間內(nèi)快速修復(fù)至原有性能。

人體的神經(jīng)肌肉活動均伴隨著電生理信號的產(chǎn)生，電生理傳感器可用于不同頻率神經(jīng)肌肉電生理信號的捕捉。對肌肉電信號的準(zhǔn)確獲取，一方面可以用于評估肌肉的健康狀態(tài)，另一方面也可以用于計算評估人體瞬時的動作意圖，進而去控制外部設(shè)備，如假肢和外骨骼等。實驗結(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，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。

另一方面，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，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。

BT與IT在合成生物學(xué)里“碰撞”出無限的可能

IT技術(shù)與BT技術(shù)是影響人類未來發(fā)展的兩大技術(shù)，一直以來科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界對兩個領(lǐng)域相互融合、交叉研究的呼聲高漲。未來，這種創(chuàng)新的“BT+IT”協(xié)同制造模式必將帶來一次大的技術(shù)革新。

該科研團隊認(rèn)為，這種材料在諸多領(lǐng)域都有著極大的應(yīng)用前景。“試想一下，未來如果將LAMBA材料用在特種軍服或軍用可穿戴設(shè)備上，那么單兵作戰(zhàn)的能力將會得到大幅增強。另外，生物活體材料強大的可編程能力，賦予戰(zhàn)衣更多樣的功能將成為可能，使士兵能夠更加從容地應(yīng)對戰(zhàn)場上各種復(fù)雜的環(huán)境與地形?！蓖ㄓ嵶髡邉⒅具h(yuǎn)在談及應(yīng)用場景時表示。

“我們希望通過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，我們也在推進其他相關(guān)的各項有趣研究，期待并相信合成生物可以帶來無限可能?！蓖ㄐ抛髡叽髯烤硎尽?/p>

中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)教授樊春海表示，這個工作在活體材料的設(shè)計與編輯中跨出了一大步。尤其是將高分子物理及化學(xué)中利用動態(tài)非共價鍵介導(dǎo)的快速自愈合這一創(chuàng)新的設(shè)計思路來武裝細(xì)菌，將在高分子學(xué)科中積累的經(jīng)典體系跨學(xué)科地引入合成生物學(xué)，這也提示我們在未來的活體材料設(shè)計中可以學(xué)習(xí)和借鑒其他材料科學(xué)的優(yōu)秀體系。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所首席科學(xué)家趙國屏表示該成果聚焦在活體功能材料領(lǐng)域，挑戰(zhàn)了活體材料分鐘內(nèi)自愈這個單純依靠細(xì)胞分裂無法實現(xiàn)的難題。解決這個問題的靈感來源于動態(tài)非共價鍵形成快速自愈合的理論，利用細(xì)菌表面安裝可黏合的抗原-抗體的性質(zhì)，開發(fā)了一種可快速組裝自愈的功能材料，實現(xiàn)了全新的可編程材料模式。尤其值得一提的是，該工作進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，這是化學(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“會聚”研究的一個范例。

（來源：廣州日報 ）