生物活體功能材料研究進(jìn)展

王宇翔，吳夏泠，張文彬

（1北京分子科學(xué)國家研究中心，高分子化學(xué)與物理教育部重點實驗室，軟物質(zhì)科學(xué)與工程中心，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871；2集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

自1920年Staudinger首次提出高分子的概念以來，高分子已成為材料領(lǐng)域不可或缺的組成部分，逐漸建立了高分子鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的認(rèn)知范式，并從中衍生出兩條截然不同的發(fā)展路徑（分別是以聚烯烴為范例的合成高分子工業(yè)和以核酸、蛋白質(zhì)為范例的分子生物學(xué)），對人類社會發(fā)展持續(xù)產(chǎn)生著重要、廣泛而深遠(yuǎn)的影響。高分子結(jié)構(gòu)的特殊性來自于其隨著分子量增大、分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化以及多重分子鏈間次級相互作用而產(chǎn)生的涌現(xiàn)性能，使其不僅可發(fā)生分子鏈纏結(jié)，帶來黏度、彈性等宏觀性能的改變，還可通過改變序列成為信息的載體，并經(jīng)由折疊實現(xiàn)多種多樣的功能［1］。線性高分子的交聯(lián)進(jìn)一步形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，帶來更為豐富的材料性質(zhì)，是包括塑料、橡膠、凝膠等多種高分子材料的實際存在形式。至今，人們已經(jīng)發(fā)展了多種策略，以精準(zhǔn)控制從分子參數(shù)（如長度、序列、立體化學(xué)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等）到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如互穿網(wǎng)絡(luò)、雙網(wǎng)絡(luò)、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)等）的高分子多級結(jié)構(gòu)，在相關(guān)材料研發(fā)上取得了長足的進(jìn)展，促進(jìn)了對結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的理解。

近年來，合成生物學(xué)的發(fā)展又為材料科學(xué)領(lǐng)域增添了新的活力。合成生物學(xué)旨在編輯活體生物以實現(xiàn)用戶功能導(dǎo)向的目標(biāo)。類似于計算機(jī)編程，合成生物學(xué)通過編輯DNA、蛋白質(zhì)來改變亞細(xì)胞層次甚至個體層次的生命活動。2000年，第1個基因?qū)用娴那袚Q開關(guān)［2］和抑制器元件［3］設(shè)計成功，揭開了合成生物學(xué)的序幕。此后，研究者們陸續(xù)實現(xiàn)了對原核［4］和真核細(xì)胞［5］基因回路的編輯，并逐步走向整個基因組的設(shè)計和合成［6］。而類似CRISPR/Cas9等先進(jìn)的基因編輯技術(shù)則使得其應(yīng)用變得更加簡單和直接［7］。近年來，結(jié)合計算機(jī)輔助蛋白質(zhì)設(shè)計的進(jìn)展，研究者們又進(jìn)一步實現(xiàn)了從用戶需求出發(fā)的、基于蛋白質(zhì)的邏輯回路的從頭設(shè)計［8］，堪稱合成生物學(xué)的又一個里程碑。這些工程化策略使得人們可以賦予細(xì)胞特定的材料屬性，發(fā)展相應(yīng)的生物活體功能材料。2014年，Lu團(tuán)隊［9］構(gòu)建了工程化細(xì)菌與菌毛蛋白CsgA納米纖維組裝體相融合的活體材料，可通過融合表達(dá)，方便地調(diào)控活體材料的性能，并和非生物組分組裝，實現(xiàn)器件化。這打開了材料科學(xué)嶄新的一頁。相比于傳統(tǒng)材料，活體材料最大的優(yōu)勢在于其兼具生命的特征和材料的功能，不僅可自我生長、自我成形、具有生命體系的諸多復(fù)雜功能（如酶活性），還具有對環(huán)境響應(yīng)、自我修復(fù)、易與各種加工技術(shù)（3D打印、器件化）整合等優(yōu)勢。但是，目前多數(shù)活體材料工作都集中在展示其生命特征上，而殊少關(guān)注其材料屬性，尤其在力學(xué)性能方面遠(yuǎn)遜于傳統(tǒng)高分子材料。要在這方面取得突破就必須借鑒材料科學(xué)（尤其是高分子科學(xué)）幾十年來的豐碩成果。

2021年6月8日，中國科學(xué)院深圳技術(shù)研究院的戴卓君研究員團(tuán)隊和杜克大學(xué)的游凌沖團(tuán)隊在《自然·通訊》上合作發(fā)表了以“Living fabrication of functional semi-interpenetrating polymeric materials”為題的研究。該研究以殼聚糖微凝膠為基質(zhì)材料，設(shè)計包裹含有工程化大腸桿菌的生物活體功能材料，可自發(fā)表達(dá)、原位形成具有錨定功能蛋白的半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖1）。當(dāng)功能蛋白為β-內(nèi)酰胺酶（Bla）時，該活體材料可保護(hù)小鼠在抗生素擾動下維持較為穩(wěn)定的腸道菌群組成，并有效減少給藥次數(shù)。

圖1 半互穿網(wǎng)絡(luò)活性材料的制備和應(yīng)用Fig.1 Preparation and application of semi-interpenetrating network living materials

在材料設(shè)計方面，該工作將高分子科學(xué)的半互穿網(wǎng)絡(luò)理念成功引入活體材料中，其第一網(wǎng)絡(luò)由三聚磷酸鈉和殼聚糖通過靜電作用交聯(lián)所得，而第二互穿組分則由工程化細(xì)菌產(chǎn)生和釋放的反應(yīng)性功能蛋白原位聚合而得。不同于傳統(tǒng)高分子材料的加工制備，該工作的難點在于如何原位實現(xiàn)蛋白質(zhì)單體的可控釋放與有效聚合。研究者將具有密度誘導(dǎo)細(xì)菌自主裂解特點的ePop回路引入該體系，通過表達(dá)一種來源于噬菌體的、可阻礙其細(xì)胞壁合成的E蛋白毒素，使得當(dāng)細(xì)菌密度生長至一定水平時，即自發(fā)裂解、釋放出蛋白質(zhì)單體。同時，研究者選用可基因編碼的蛋白質(zhì)反應(yīng)對諜標(biāo)簽（SpyTag）和諜捕手（SpyCatcher）分別修飾蛋白質(zhì)單體，使其在釋放后局部濃度較高的情況下自發(fā)聚合，通過與第一組分的互穿，一方面實現(xiàn)蛋白質(zhì)單體的固定化，一方面促進(jìn)了其力學(xué)性能的提升，抑制了微凝膠在細(xì)菌生長過程中的塌縮。值得注意的是，半互穿網(wǎng)絡(luò)的儲能模量能達(dá)到2 kPa，遠(yuǎn)高于非互穿凝膠網(wǎng)絡(luò)以及單純的諜網(wǎng)絡(luò)水凝膠［10］或殼聚糖微凝膠。

在材料功能方面，該工作將可降解β-內(nèi)酰胺類抗生素的Bla作為功能蛋白質(zhì)單體融入半互穿網(wǎng)絡(luò)，以期保護(hù)腸道菌群組成免受抗生素擾動。實驗結(jié)果表明，半互穿網(wǎng)絡(luò)的存在對于Bla的酶活具有非常重要的保護(hù)作用。得益于工程菌具有不斷產(chǎn)生Bla的功能以及互穿網(wǎng)絡(luò)對酶穩(wěn)定性的提升，在體外實驗中，即使在抑制劑長時間作用下，其酶活性依然可在撤除抑制劑后快速恢復(fù)；在體內(nèi)實驗中，該活體材料被灌胃輸送至小鼠腸道內(nèi)，在靜脈輸入抗生素后，該小鼠腸道的菌群總量和菌群結(jié)構(gòu)整體上展現(xiàn)出比對照組（無材料組、無互穿網(wǎng)絡(luò)組以及無細(xì)胞組）更加顯著的穩(wěn)定性，較好地解決了Bla易受到環(huán)境影響而失活的問題。

這一研究成果為生物活體功能材料的構(gòu)建提供了新的思路，提示活體材料的發(fā)展應(yīng)多多借鑒和應(yīng)用傳統(tǒng)的高分子材料工程策略。在該工作中，高分子互穿網(wǎng)絡(luò)通過機(jī)械互鎖限制了兩個組分的相對運(yùn)動趨勢，不僅使其兼具每個組分獨特的性能優(yōu)勢，如環(huán)境響應(yīng)性與特定功能，更達(dá)到了提高材料力學(xué)性能、改善其耐受性的效果。事實上，高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)控還包括雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、化學(xué)-物理交聯(lián)協(xié)同、滑環(huán)交聯(lián)點、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)等諸多策略，均有其獨特優(yōu)勢。例如，雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過第一網(wǎng)絡(luò)的斷裂作為“犧牲鍵”耗散能量，而通過稀疏交聯(lián)的高分子量第二網(wǎng)絡(luò)維持其整體性，從而協(xié)調(diào)兩個組分，實現(xiàn)大幅增韌、有效提升力學(xué)性能［11］。類似地，化學(xué)-物理交聯(lián)協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)中，動態(tài)的物理交聯(lián)在外力下不斷斷開并重新形成，高效耗散能量，而化學(xué)交聯(lián)則維持了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［12］?；h(huán)交聯(lián)點則是獨特的可變交聯(lián)點結(jié)構(gòu)，可以像滑輪一樣導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重組，重新分散應(yīng)力，帶來增韌的效果［13］。引入納米材料作為多價交聯(lián)點則可以制備納米復(fù)合物，大幅提高材料的力學(xué)性能［14］。首先，靈活利用這些策略可有效改善活體材料的力學(xué)性能和耐用性。其次，雖然活體材料的一個亮點在于可自發(fā)成型，但如果它兼容目前已經(jīng)非常成熟的各種高分子加工方案，不失為更為便捷的應(yīng)用途徑。最后，生物體系所能夠應(yīng)用和提供的大分子構(gòu)建相對有限，為了拓展活體材料的功能多樣性，必須向傳統(tǒng)高分子化學(xué)學(xué)習(xí)，引入并整合非天然的高分子組分。然而，在活體材料中應(yīng)用高分子的相關(guān)策略并非易事，需要使用合成生物學(xué)的語言和工具［15］。例如，要控制單體的釋放和聚合，在這里就不能簡單套用傳統(tǒng)的高分子聚合反應(yīng)，而是要用到新的、可基因編碼的蛋白質(zhì)偶聯(lián)化學(xué)（如諜化學(xué)）；而要協(xié)調(diào)各個過程的時空次序，則不能簡單通過外部操作的時序性來實現(xiàn)，更多應(yīng)該是通過程序化控制基因回路來實現(xiàn)。這樣的交叉融合不僅僅是理念上的，還需要研究工具、研究方法以及具體基元和分子模塊上的融會貫通（圖2）。

圖2 合成生物學(xué)與材料科學(xué)的交叉與融合Fig.2 Intersection and integration between materials science and synthetic biology

總之，合成生物學(xué)與材料科學(xué)尤其是高分子科學(xué)的交叉融合是大勢所趨。傳統(tǒng)高分子是以追求靜態(tài)結(jié)構(gòu)的極限性能為目標(biāo)，生命體是以追求特定環(huán)境壓力下的最適生存為目標(biāo)，而活體材料有望結(jié)合兩者的主要優(yōu)勢，帶來材料科學(xué)的變革。雖然生命體總是將生存作為第一優(yōu)先權(quán)，總是要在滿足這個要求的前提下來實現(xiàn)所有其他的功能屬性，平添了不少限制，但同時也帶來了包括自修復(fù)性、可再生性、超高活性、功能多樣性等諸多優(yōu)勢。生命體本身也在進(jìn)化過程中形成許多的活體功能材料。天然活體材料的成功啟示我們：材料科學(xué)的發(fā)展應(yīng)借鑒這些生命特征，不僅要注重單一的材料性質(zhì)，還要追求多組分體系中復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)所帶來的涌現(xiàn)性質(zhì)。毫不夸張地說，生物活體功能材料既是材料在人類智慧出現(xiàn)之前的自然選擇，也是人造材料的理想未來。它既是起源，也是未來。為了更好地發(fā)展生物活體功能材料，我們認(rèn)為應(yīng)著重：①通過發(fā)展新穎的工具，融合合成生物學(xué)和高分子科學(xué)的理念和基元，廣開思路，拓展現(xiàn)有的研究范式與思維；②仔細(xì)甄別兩個體系的優(yōu)勢和劣勢，設(shè)計可同時發(fā)揮兩者長處的體系，將惰性成分和活性成分融合成為一個密不可分的功能整體；③針對特定應(yīng)用場景，展示其“殺手锏”級應(yīng)用。其中，蛋白質(zhì)作為生命中心法則中功能的主要承載者，也是活體材料的重要主體。以蛋白質(zhì)為核心，結(jié)合蛋白質(zhì)工程，有望擺脫傳統(tǒng)天然蛋白質(zhì)作為材料的局限性，既可詮釋序列、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，又有望實現(xiàn)目的導(dǎo)向的可設(shè)計性，尋找到合適的切入點，迅速取得突破。合成生物學(xué)與材料科學(xué)在現(xiàn)階段的諸多不同恰恰為兩者在未來的合作和融合提供了廣闊的發(fā)展空間。