生物材料創(chuàng)造可持續(xù)未來

陳國強，鐘超

（1清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，化學(xué)工程系，合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心，北京 100084；2中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所，材料合成生物學(xué)研究中心，廣東 深圳 518055）

人類社會進(jìn)入20世紀(jì)以來，科技進(jìn)步日新月異，先進(jìn)材料的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)入一個全新的階段。然而很多高性能材料的研制在給人類帶來福利的同時，也在某種程度上反噬人類。荷蘭的研究人員于2022年發(fā)表研究論文，首次揭示微塑料存在于人類志愿者血液中，而這些材料對人類造成的長期后果目前仍不明確。回望歷史，蕾切爾·卡遜在20世紀(jì)60年代出版了《寂靜的春天》，該書描述并預(yù)言過度使用廢料和農(nóng)藥將對環(huán)境造成破壞，并最終反作用于人類本身，給地球帶來不堪重負(fù)的災(zāi)難。以史為鑒，未來人類在新材料的開發(fā)方面一定是建立在自身可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)之上。道法自然，人類利用天然材料的歷史源遠(yuǎn)流長，從絲綢和布匹的使用到中草藥的煎服，大自然為人類的可持續(xù)發(fā)展指明了方向。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的進(jìn)步，人類可通過改造自然發(fā)展綠色環(huán)保和功能多樣的材料，從而為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。一方面，利用合成生物技術(shù)對大自然中的生物系統(tǒng)進(jìn)行改造，開發(fā)功能定制的生物材料；另一方面，通過對現(xiàn)有的天然生物成分進(jìn)行篩選，挖掘?qū)θ祟愑幸娴某煞?，最后通過菌株發(fā)酵，大規(guī)模生產(chǎn)可替代傳統(tǒng)材料的生物基材料，最終滿足人類日益增長的物質(zhì)和能源需求。

本專輯圍繞“生物材料”的多樣性和應(yīng)用展開了較為全面的綜述：在《抗菌肽的生物合成及醫(yī)學(xué)應(yīng)用》一文中，西北大學(xué)的魏岱旭團(tuán)隊［1］描述了天然抗菌肽因具有廣譜抗菌性和低耐藥性，成為潛在的抗生素替代品之一，并有望解決長期困擾人類的耐藥菌感染問題?？咕倪€具備抗癌、抗病毒、抗寄生蟲、調(diào)節(jié)免疫等諸多作用，具有很好的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。針對抗菌肽生物合成含量低、分離提取困難、生產(chǎn)成本高、穩(wěn)定性差、生物安全等問題，提出了潛在的解決方案。在《基于表面涂層益生菌的腫瘤抗原口服遞送系統(tǒng)》中，上海交通大學(xué)的劉盡堯團(tuán)隊［2］介紹了一種腫瘤疫苗口服遞送系統(tǒng)，利用酵母細(xì)胞膜包覆益生菌，酵母細(xì)胞膜發(fā)揮了抗原保護(hù)以及腸道淋巴系統(tǒng)靶向的作用；益生菌發(fā)揮了搭載抗原和免疫佐劑的作用。與裸菌相比，酵母細(xì)胞膜包覆能提高益生菌的生物利用度，增強其在派氏結(jié)的富集，促進(jìn)樹突狀細(xì)胞的活化和抗原遞呈以及提高小鼠血漿中OVA-IgG水平，能夠保護(hù)益生菌和抗原免受胃腸道環(huán)境刺激并進(jìn)一步向腸道淋巴系統(tǒng)遞送抗原，激活抗腫瘤免疫。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所戴建武團(tuán)隊［3］在《細(xì)胞培養(yǎng)肉用生物材料的設(shè)計》中，展示了細(xì)胞培養(yǎng)肉的優(yōu)勢和前景，描述了細(xì)胞培養(yǎng)肉生產(chǎn)流程。重點總結(jié)了用于細(xì)胞培養(yǎng)肉生物材料的要求及分類、用于細(xì)胞培養(yǎng)肉的高分子材料、細(xì)胞培養(yǎng)肉用生物支架的工程化制備，并展望了細(xì)胞培養(yǎng)肉的未來發(fā)展方向與挑戰(zhàn)。該綜述為細(xì)胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供了參考。

南京大學(xué)曹毅團(tuán)隊［4］揭示了力信號在干細(xì)胞命運決定過程中的影響，介紹了力學(xué)信號對干細(xì)胞行為的影響效果和作用機理，同時指出了各種合成材料在干細(xì)胞分化研究領(lǐng)域內(nèi)的重要應(yīng)用。并對研究前景進(jìn)行了展望：力學(xué)信號和細(xì)胞行為更加定量化的調(diào)控和表征將會是這一領(lǐng)域深入發(fā)展的關(guān)鍵。

上海交通大學(xué)夏小霞團(tuán)隊［5］提出了無細(xì)胞合成策略在生物材料研究中的應(yīng)用，介紹了無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢，并列舉了其用于生物材料可持續(xù)生產(chǎn)的策略、與材料結(jié)合后的創(chuàng)新設(shè)計、賦予材料功能化和智能化的方法，以及通過加速設(shè)計－構(gòu)建－測試（DBT）循環(huán)來促進(jìn)新型生物材料開發(fā)的各項應(yīng)用。隨著合成生物學(xué)的發(fā)展及多學(xué)科交叉研究的深入，無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)將為新型生物材料研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化提供強大的助力。香港科技大學(xué)孫飛團(tuán)隊［6］提出了可基因編碼點擊化學(xué)在材料合成生物學(xué)中的應(yīng)用，簡要介紹了可基因編碼點擊化學(xué)在近年的應(yīng)用，包括以多種非線性蛋白質(zhì)分子為代表的蛋白質(zhì)拓?fù)涔こ坍a(chǎn)物、多種具有不同功能的全蛋白質(zhì)水凝膠材料、重組疫苗及工程活體材料等，并總結(jié)了其發(fā)展?jié)摿Α?/p>

北京大學(xué)張文彬團(tuán)隊［7］回顧了生物活體功能材料研究進(jìn)展，指出：合成生物學(xué)可以實現(xiàn)對生物體的重新編輯，材料科學(xué)則提供了材料構(gòu)建的基本思想及對構(gòu)效關(guān)系的全面理解。隨著合成生物學(xué)和材料科學(xué)的不斷發(fā)展、交叉和融合，各種響應(yīng)性、程序化的生物活體功能材料不斷涌現(xiàn)。借鑒高分子科學(xué)中互穿網(wǎng)絡(luò)的概念，通過基因回路設(shè)計控制細(xì)胞的程序性凋亡，實現(xiàn)胞內(nèi)反應(yīng)性功能蛋白質(zhì)的可控釋放，促進(jìn)原位的蛋白質(zhì)聚合和固定反應(yīng)，形成具有蛋白質(zhì)與殼聚糖半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的微凝膠，既可保護(hù)固定于其中的微生物不受環(huán)境侵害，又可運用微生物應(yīng)對環(huán)境擾動并影響環(huán)境，從而提供了一個模塊化的生物活體功能材料平臺，在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴卓君和鐘超團(tuán)隊［8］綜述了細(xì)菌生物被膜的軟物質(zhì)特性及其工程化應(yīng)用，從生物被膜的軟物質(zhì)特性以及Curli生物起源及調(diào)控的研究開始挖掘，從高分子物理及合成生物學(xué)的觀點解讀工程化生物被膜從體系選擇、去粗取精、工程化設(shè)計、系統(tǒng)構(gòu)建、性能推廣及優(yōu)化，由繁至簡、再由簡至繁的全過程。期待這些思考將對未來活體材料研究的新體系與新范式帶來啟示、借鑒以及推動。

山東大學(xué)王倩和祁慶生［9］采用合成生物學(xué)方法，創(chuàng)建合成聚羥基脂肪酸酯（PHA）的微生物細(xì)胞工廠，將廉價碳源以及可再生原料高效轉(zhuǎn)化為種類繁多和性能多樣的PHA是解決所面臨問題的重要途徑。通過總結(jié)各種PHA單體的生物合成途徑并分析了各途徑的理論碳轉(zhuǎn)化率，提出了提高共聚物單體產(chǎn)量的重要策略，即優(yōu)先選擇高碳轉(zhuǎn)化率PHA單體的合成，為可降解塑料的低碳生物合成提供有效方法。北京大學(xué)高衛(wèi)平團(tuán)隊［10］在《類彈性蛋白多肽的生物合成及其藥物遞送應(yīng)用》中簡要介紹了類彈性蛋白多肽（Elastin-like polypeptides，ELPs）的設(shè)計原理、理化特性和生物合成方法，并列舉了一些ELPs應(yīng)用于藥物遞送系統(tǒng)中有代表性的工作，最后總結(jié)了該研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和問題。

天津科技大學(xué)秦慧民團(tuán)隊［11］以廣泛使用的聚對苯二甲酸乙二酯（PET）的生物降解為切入點，分析了PET的生物降解研究現(xiàn)狀，以宏基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)為基礎(chǔ)，重點總結(jié)了微生物和新酶基因的挖掘方法，追溯不同來源的PET降解酶特性，利用定向改造和智能計算策略提高了酶特性以及PET的降解效率。在改造降解酶的同時，探索對PET原材料的可降解性改良。團(tuán)隊提出了“雙向改造”的思路。塑料降解酶新酶挖掘與工程改造、多酶催化體系開發(fā)以及塑料的可持續(xù)性能的改良等領(lǐng)域?qū)⒊蔀樗芰暇G色降解的主流趨勢，其為探索PET高效生物降解提供了新思路。

蘇州大學(xué)張克勤和西安交通大學(xué)王晶及其團(tuán)隊［12］針對基于絲素蛋白（SF）生物材料構(gòu)建3D多孔支架的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和討論。概述了自然骨組織的多層次多孔結(jié)構(gòu)特征，總結(jié)了SF材料的組成和結(jié)構(gòu)特征，及其卓越的生物相容性、力學(xué)性能和生物可降解性能等特性。著重討論了SF基3D骨組織修復(fù)多孔支架典型的制備技術(shù)，包括冷凍干燥法、粒子瀝濾法、生物3D打印法以及復(fù)合制造技術(shù)對3D支架多孔結(jié)構(gòu)的控制能力，以及多孔結(jié)構(gòu)對細(xì)胞生長行為和骨組織再生的影響。最后作者對SF構(gòu)建的骨組織修復(fù)支架所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景進(jìn)行了展望，強調(diào)了合成生物技術(shù)為解決SF基多孔支架應(yīng)用于骨組織工程領(lǐng)域所存在的問題提供了有力的工具。

清華大學(xué)的劉凱和長春應(yīng)用化學(xué)研究所李敬敬［13］綜述了利用合成生物學(xué)方法設(shè)計合成高性能蛋白材料的研究進(jìn)展，強調(diào)了合成生物學(xué)技術(shù)在人工蛋白定向優(yōu)化、結(jié)構(gòu)改造和可編程材料組裝等方面的作用，并突出了高性能蛋白及組裝體在構(gòu)建高強蛋白纖維和黏合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，面向高性能蛋白材料理性設(shè)計和規(guī)?；苽涞闹卮笮枨?，對具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦偷鞍追肿雍图夹g(shù)平臺進(jìn)行了總結(jié)和展望，為今后該領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究提供了可借鑒的思路。

這些工作，對我們未來在生物材料的發(fā)展和應(yīng)用展示了一個繽紛多彩的前景。各種學(xué)科的交叉也進(jìn)一步為生物材料的發(fā)展提供了動力。生物材料驅(qū)動人類社會可持續(xù)發(fā)展，未來可期。