結(jié)合合成生物學(xué)開發(fā)基于藍(lán)藻的新生物材料

據(jù)Goodchild-Michelman IM 2023年2月11日（Materials Today Bio，2023，19：100583-100583.）報(bào)道，藍(lán)藻更容易進(jìn)行基因操作，開發(fā)新生物材料。藍(lán)藻具有碳捕獲潛力，例如使用基因工程藍(lán)藻生產(chǎn)食用染料和調(diào)味品的Spira；使用藍(lán)藻遞送治療分子的生物藥物公司Lumen Bioscience，還有從藍(lán)藻中提取工業(yè)生物化學(xué)品的Photanol 公司。

1 用于碳捕獲的生物復(fù)合材料

鑒于藍(lán)藻的光合效率，已經(jīng)有許多開發(fā)藍(lán)藻培養(yǎng)系統(tǒng)的碳封存的嘗試。 一種新型的碳捕獲生物復(fù)合材料已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來，它使用生物乳膠黏合劑將藍(lán)藻包裹在絲瓜海綿支架上。 絲瓜的多孔性，即干燥的絲瓜果實(shí)，使其具有較大的高表面，為藍(lán)細(xì)菌的光合作用提供良好的通氣性。這種生物復(fù)合材料固定碳的效率高、污染少、用水少。若把系統(tǒng)中使用的野生型菌株替換成一種經(jīng)過設(shè)計(jì)能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的生物產(chǎn)品的菌株，該生物復(fù)合材料將在商業(yè)上可行。 另外，如果工程藍(lán)藻可以利用固定碳促進(jìn)生物礦化或合成不易生物降解的難降解生物聚合物，則該系統(tǒng)可適用于長期碳封存和儲存。 不過，這種生物復(fù)合材料的一個(gè)問題是黏附力減弱，幾周后一些細(xì)胞從黏合劑中流失到生長介質(zhì)中，這會降低生物復(fù)合材料的碳固定效率。 一個(gè)潛在的解決方案是使用自然形成生物膜的藍(lán)藻，或者在聚球菌中設(shè)計(jì)細(xì)胞外聚合物質(zhì)（EPS）的分泌來促進(jìn)黏附。

2 生物光電技術(shù)

在生物膜中，某些藍(lán)藻在光合作用時(shí)將電子轉(zhuǎn)移到膜上，產(chǎn)生光電流。 當(dāng)生物膜生長在電極上時(shí)，這種光電流可以被"收獲"。目前，已有3D 打印電極柱制成，以有效地利用來自Synechocystis sp.PCC 6803 或Nostoc punctiformme 生物膜的光電流。 研究者使用氣溶膠噴射打印方法，用氧化銦錫顆?！澳贝蛴〕鲆粋€(gè)新穎的分支支柱結(jié)構(gòu)，使光和電解質(zhì)滲透到整個(gè)過程。 其獲得的光電流輸出是半人工光合作用系統(tǒng)中報(bào)道的最高的，與現(xiàn)有生物燃料系統(tǒng)的效率相媲美。 為了擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)模，使其與其他能源競爭，需要改進(jìn)這些材料中的電子轉(zhuǎn)移。 目前，在對外膜蛋白進(jìn)行基因編碼以增強(qiáng)細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移和結(jié)合碳納米管等非生物材料來改善功能方面，已經(jīng)展開了一些工作。

3 細(xì)胞內(nèi)生物材料

藍(lán)藻有由蛋白質(zhì)外殼組成的微室，圍繞著具有特定功能的酶，就像真核細(xì)胞中的細(xì)胞器一樣。 其中兩個(gè)微區(qū)室，羧基體和氣體囊泡，是生物技術(shù)應(yīng)用的強(qiáng)有力的候選者。 羧基體使藍(lán)藻能夠有效地固碳，若將羧基體引入植物葉綠體，則可能會改善植物的碳固定。 最近，一組最小的4 個(gè)羧基體基因被插入煙草后成功地產(chǎn)生了簡化的羧基體結(jié)構(gòu)。 氣囊讓藍(lán)藻可以在水柱中垂直移動。 最近有研究發(fā)現(xiàn)，從藍(lán)藻中純化的囊泡可以散射聲音，使它們成為非侵入性超聲成像的候選造影劑。 針對在醫(yī)療設(shè)備中使用純化的藍(lán)藻氣囊作為超聲波和MRI 的穩(wěn)定高造影劑，已經(jīng)有了初步研究。此外，一項(xiàng)體內(nèi)研究表明，氣體囊泡在活的哺乳動物宿主中具有跟蹤微生物細(xì)胞位置的潛力。 對藍(lán)藻進(jìn)行工程改造，以調(diào)節(jié)它們對特定刺激的氣囊的產(chǎn)生，可以使生物材料具有響應(yīng)性浮力。