合成纳米生物学-合成生物学与纳米生物学的交叉前沿.pdf

网络首发时间：2022-05-12 15:14:24网络首段地址：https:/k k cms/detail/10.1687.q.20220511.0844.010.htmlSy nthetic Biology Journal xxxx,xx(xx)：i-2o台施生Ml学XXXX 年第 XX 卷第 XX 期 I 合成纳米生物学合成生物学与纳米生物学的交叉前沿；摘要：近年来，纳米材料因独特的粒径效应、比表面积大、表面易修饰等优点被广泛应用于生物学研究领域。作 为生物学中的重要新兴学科，合成生物学与纳米生物学的交叉研究是科学发展的必然结果，推动产生了一个全新 的研究领域一一合成纳米生物学：一方面，利用合成生物学的技术获取具有特殊生物功能的生物源纳米材料，形 成以生物技术驱动的纳米材料合成理论；另一方面，利用纳米材料对生物体进行功能强化或者生命活动模拟，拓 展合成生物学的工程化设计构建理念。本文根据本领域的最新进展，将合成纳米生物学分为基于基因工程化改造 生物源纳米材料的“仿生命体”研究、基于纳米材料功能强化的杂合生物系统的“半生命体”研究和基于纳米材 料模拟生命活动的“类生命体”研究三个细分领域。在此基础上，重点介绍了仿生细胞膜纳米颗粒、外泌体、细 菌外膜囊泡、病毒样颗粒和细菌生物被膜等生物源纳米材料的改造及功能研究，以及纳米人工杂合细菌和细胞、人工光合系统的构建与应用。同时也介绍了纳米材料元件组装的纳米类酶、人工抗原递呈细胞、运动纳米机器 人、DNA纳米机器人等仿生人工合成生物的最新研究进展。最终展望了纳米技术与合成生物学交叉领域的发展前 景，分析了合成纳米生物学在肿瘤治疗、环境修复、能源工程等方面的应用潜力；剖析了当前“活细胞疗法”的 优势与临床转化的局限性；展望了智能化药物输运平台的未来发展空间。关键词：纳米材料；合成生物学；合成纳米生物学；仿生命体；半生命体；类生命体中图分类号：Q819 文献标志码：ASy nthetic nanobiology-fusion of sy nthetic biology and nanobiologyF eng Qingqing1,Zhang Tianjiao1 2,Zhao Xiao1,Nie Guangjun1CCAS Key Laboratory for Biomedical Effects ofNanomaterials and Nanosafety&CAS Center for Excellence in Nanoscience,National Cen ter for Nanoscience and Technology of China,11 Beiyitiao,Zhongguancun,Beijing,100190,China;2 College of Pharmacy,Jilin University,1266 Fujin road,Changchun,Jilin,130021,China)Abstract：In recent y ears,nanomaterials have been widely used in the field of biological research due to their unique particle size effect,large specific surface area and easy surface embellishment.These applications drive technological收稿日期：2021-03-25修回日期：2021-07-05基金项目：国家重点研发计划(2018YFA0208900,2018YFE0205300),北京市自然科学基金(Z200020),北京市科技新星计划(Z201100006820031),国家自然科学基金(31800838,31820103004,31730032,31800799,11621505),中国科学院高层次人才弓 I 进计划。引用本文：冯晴晴，张天蛟，赵潇，聂广军.合成纳米生物学一合成生物学与纳米生物学的交叉前沿J.合成生物学，2021,2.DOI:10.12211/2096-8280.2021-035 Citation：Feng Qingqing,Zhang Tianjiao,Zhao Xiao,Nie Guangjun.Synthetic nanobiology-fusion of synthetic biology and nanobiology J.Synthetic BiologyJournal,2021,2.DOI：10.12211/2096-8280.2021-035002合成生物学第XX卷innovation in the field of biology.However,most of these nanomaterials are obtained by chemical sy nthesis,and their biological functions and compatibility are limited.In addition,their cross-application in the field of biology needs to be further developed.Sy nthetic biology is an important emerging discipline in biology,and its crossover study of nanomaterials is the inevitable result of scientific development,so as to produce a new research field,sy nthetic nanobiology:on the one hand,we can use the technology of sy nthetic biology to engineered bacteria or cells and obtain biogenic nanomaterials with special biological functions,thereby forming a novel biological technology-driven nanomaterial sy nthesis theory;on the other hand,nanomaterials can be used to enhance the functions of living bodies or simulate life activities,so as to expand the engineering design and construction concept of sy nthetic biology.Herein,according to the latest developments in this field,we divided the sy nthetic nanobiology into three subclass fields:pseudo-organism”research focus on the genetic engineering-modified biogenic nanomaterials,”semi-organism”research focus on the heterozy gous biological sy stems based on functional enhancement with nanomaterials,and HorganismoidH research about simulation of life activity based on nanomaterials.On this basis,the modification and functional research of biogenic nanomaterials,such as biomimetic cell membrane,exosomes,bacterial outer membrane vesicles,virus-lik e particles,and bacterial biofilm,as well as the construction and application of artificial heterozy gous bacteria and cells and artificial photosy nthetic sy stem were mainly introduced.At the same time,the latest research progress of biomimetic artificial sy nthetic biology composed by nanomaterial components,such as nano-enzy mes,artificial antigen presenting cells,motion nanorobots,DNA nanorobots,was also introduced.F inally,the development of the intersection of nanotechnology and sy nthetic biology is prospected,including its application potential in tumor therapy,environmental remediation and energy engineering.NanomaterialsNanomaterialsSynthetic nano 中ologyorganismSynthetic biology第 XX 卷 003Key words：nanomaterials;sy nthetic biology;sy nthetic nanobiology;pseudo-organism;semi-organism;organismoid随着纳米技术高速发展，纳米材料已经渗透 到包括工程学、物理学和生物学在内的多个学科 研究中。纳米材料是指三维空间中至少有一维 处于纳米尺度范围(1-1000 nm)或由它们作为基 本单元构成的材料。近些年，生物材料已经进入“纳米技术”时代，纳米生物材料研究成为材料学 与生物学的连接桥梁，推动了生物医学原有领域 的技术革新，如细胞/分子分离、疫苗/药物递送、体内外成像检测和组织工程再生等支然而，目 前的纳米材料还是以化学材料为设计合成源头，其生物应用几乎都集中在药物递送载体和成像探 针领域；如何实现纳米材料的合成理论和生物应 用突破，成为了该领域变革性发展的关键性科学 问题，而合成生物学的出现为此提供了新的创新 空间。在前基因组时代，基因工程的研究方法主要 限于分子克隆和重组基因表达技术。此时基因工 程尚未配备必要的知识或工具来创建能够显示微 生物中调控行为的多样性和深度的生物系统。随 着1990年代基因组学的革命和系统生物学的兴起，为创建、控制和编程细菌或细胞的行为，“合成生 物学”这一工程学领域应运而生。2000年至 2003年是合成生物学发展起始阶段，基因遗传回 路“双稳态开关(Toggle switch)”、“自激振荡网 络(Oscillatory network)”及基于群体感应的人 工细胞通讯系统的构建及应用研究奠定了合成生 物学的发展基础,叫2004年至2008年，合成生 物学技术取得突破性进展，新颖的基因元件和基 因回路不断出现，包括基于mRNA系统的翻译控 制线路、基于AND逻辑门的基因回路以及多细胞 模式的群体感应回路小”。合成生物学的规模和范 围快速扩展，合成生物技术与类异戊二烯生物合 成研究的结合，实现了异源生产青蒿素前体；利 用合成基因回路构建工程细菌，实现了肿瘤微环 境响应的细胞治疗口.回。2009年至今，合成生物 学的发展与应用已经渗透到生物、医药、农业等 多个方面，带动了代谢工程、定向进化、自动化 菌株工程、基因电路设计和基因组编辑等技术的 发展。DNA合成、遗传操作和生物传感器的快 速发展极大地提高了工程改造具有复杂功能的微 生物的能力，对复杂的信号网络作出响应的智能 微生物的出现也是令人兴奋的成果之一。例如Tay 等人17整合汞响应性启动子和编码吸收汞的自组 装细胞外蛋白纳米纤维CsgA的操纵子，设计出能 够检测和隔离环境中有毒Hg?+离子的细菌。钟超 课题组18设计蓝光感应和血液感知的群体感应基 因环路，动态控制细菌生物膜的定向生物修复。这类智能设计的基因回路主要包括传感系统、处 理系统和输出系统，通过巧妙设计来协助微生物 自动感应外部环境或细胞内部状态进行调整，而 无需人工干预，实现了合成生物工程菌在环境治 理、工业生产、材料合成、智能治疗等方面的创 新应用口汽合成生物学是以工程化设计理念，对 生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成。合成生物学的生物设计改造有两种理念：“自上而 下”策略是基于天然生物体的特性和功能，构建 具有可预测和可控制特性的遗传、代谢或生物信 号网络的合成组件，赋予生物体全新的功能；而“自下而上”策略则是独立于现有的生物体功能，基于非天然组分设计并合成自然界中不存在的人 工生物体口,刈。然而，目前这两种策略都还是以 生物工程改造为主，如基因逻辑环路、特异性启 动子、密码子扩展等，纳米材料的引入将为合成 生物学提供全新的设计理念和功能拓展。最近，钟超团队综合了合成生物学和材料 科学的工程原理，总结了将生命系统重编程为具 有新兴功能和可编程功能的动态响应材料的系列 研究，并提出“材料合成生物学”这一概念。作 为材料科学的研究前沿，纳米材料与合成生物学 的交叉也是科学发展的必然。一方面，利用合成 生物学的技术获取生物源纳米材料，形成以生物 技术驱动的纳米材料合成理论；另一方面，利用 纳米材料对生物体进行功能强化或者生命活动模 拟，拓展合成生物学的工程化设计构建理念20-220 在本文中，我们综合合成生物学的生命体研究和 纳米材料的非生命体研究理念和技术进展，提出 004合成生物学第XX卷“合成纳米生物学”这一全新的学科增长点，并将该 交叉研究领域细分为三类：（1）工程化的“仿生命 体”：采用合成生物学策略改造宿主细胞或细菌进而 获得具有特定生物功能的生物源纳米材料，如细胞膜 纳米颗粒、外泌体、细菌外膜囊泡、病毒样颗粒和细 菌生物被膜等；（2）智能化的“半生命体”：通过纳 米材料对细菌或细胞进行修饰，构建纳米人工杂合生 物系统，实现传统合成生物学无法满足的功能强化，如细菌机器人、人工杂合嵌合抗原受体T细胞（chimeric antigen receptor T-celb CAR-T）人工光 合系统等；（3）仿生化的“类生命体”：以合成生物 学理论为指导，以纳米材料的理化性质为基础，合成 组装并模拟生命活动，如纳米酶、人工抗原递呈细 胞、定向运动纳米机器人、DNA纳米机器人等。1工程化的“仿生命体”研究“仿生命体”是指利用合成生物学的技术改造宿 主细菌或细胞，经过提取和纯化获得的无生命活动但 有特殊生物功能的生物源纳米材料。它们继承了生命 体的部分功能特点，如高生物相容性、高体内稳定性 等，同时借助合成生物学改造获得全新功能，能够更 好的契合体内环境和满足实际需求，如病灶靶向性、表面生物活性分子展示等，使其更加适合充当体内药 物/疫苗靶向输运工具。本文将从细胞膜纳米颗粒、外泌体、细菌外膜囊泡、细菌生物被膜、病毒样颗粒（图1）等方面介绍合成纳米生物学中“仿生命体”研究的重要进展。1.1 细胞膜纳米颗粒细胞膜纳米颗粒是指通过纳米技术将提取的 细胞膜纳米化，获得由细胞膜包被的纳米颗粒或 单纯的细胞膜纳米颗粒。早在20世纪60年代，科 学家们就已经掌握了提取红细胞膜“血影”的方法，但将细胞膜与纳米技术结合则是在20 多年后才被报道出来的;之后这一策略在很长 一段时间内并没有得到发展。直到2011年，张良 方团队和Merk e团队,分别将红细胞膜覆盖在 纳米颗粒表面和微球表面，极大地延长了被载药 物的半衰期，至此越来越多的细胞膜纳米载体逐 渐被开发出来，如能靶向炎症部位的血小板膜纳 米颗粒、具有归巢作用的肿瘤细胞膜纳米颗粒、具有纳米海绵效应的中性粒细胞膜纳米颗粒以及 能够刺激T细胞成熟的树突状细胞膜纳米颗 粒等C27o随着细胞膜纳米颗粒的快速发展，自然界存 在的天然细胞膜己经不能完全满足需求，而合成 生物学的蓬勃发展则又为这一领域注入新鲜的血 液。例如，顾臻团队,通过基因工程改造巨核细 胞，使脱落下来的血小板膜表面表达PD-1分子，使其在能靶向肿瘤输运药物的同时还能抑制微环 境中的免疫检查点；周江兵团队将肿瘤细胞与 树突状细胞膜融合，内部包载了载有免疫佐剂 CpG的聚乳酸-羟基乙酸共聚物poly（lactic-co-gly colic acid）,PLGA纳米颗粒,构建出一种能 够刺激特异性T细胞活化的肿瘤疫苗。除了肿瘤以 外，细胞膜纳米颗粒在其他疾病的治疗上也表现 出优秀的效果，如表达有PD-L1的血小板膜纳米 载体可以有效地维持胰腺0细胞生命和功能，治疗 早期I型糖尿病口叫 表面表达a407分子的T细胞膜 纳米载体能够特异性地粘附在炎症肠道内皮细胞 表面，一方面能够靶向输运药物，一方面为肠道 提供了一层保护膜，抑制了炎性肠病的发展 综上所述，以合成生物学的技术改造细胞，再通 过纳米技术将其细胞膜纳米化，能够构建出具有 特殊功能的细胞膜纳米载体，大大推动了该领域 的发展。1.2 外泌体外泌体是细胞分泌的天然纳米颗粒，由双层 磷脂层覆盖，表面具有大量生物分子，因此具有 良好的生物相容性和体内稳定性，是一种理想的 天然药物载体或生物功能调节剂2 33】。然而，和 细胞膜一样，天然外泌体很多时候难以满足我们 的需求，因此通过基因工程改造的、具有特定功 能或性状的外泌体就获得了研究者的广泛关注。功能化外泌体的研究主要集中在以下几个方 向：（1）改造外泌体直接用于生物功能调节，如 利用基因工程技术使外泌体内部含有IkB突变体使第 XX 卷 005Virus图1通过合成纳米生物学对“仿生命体”进行工程化改造 Figure 1 Engineering pseudo-organism through sy nthetic nanobiology Through the technology of sy nthetic biology,bacteria or cells are engineered to isolate and obtain biogenic nanomaterials with special biological functions,which are called Hpseudo-organismH,including biomimetic cell membrane,exosomes,bacterial outer membrane vesicles,virus-lik e particles,and bacterial biofilm.其能够抑制NF-kB的过度激活，借助外泌体尺寸 小能够穿透胎盘屏障的特性，治疗炎症导致的自 发性早产nq Q）外泌体作为疫苗载体，如改造 肿瘤细胞分泌的外泌体，使其表面表达链霉亲和 素，再与生物素化的免疫佐剂CpG孵育，构建出 能够高效刺激肿瘤特异性免疫反应的外泌体肿瘤 疫苗；（3）外泌体用于靶向运输药物或生物大 分子3”如本团队构建的表面表达有肿瘤靶向肽 iRGD的外泌体用于抗肿瘤药物阿霉素的肿瘤靶向 输运37,Erviti团队构建的表达有RVG多肽的外泌 体能够实现穿透血脑屏障和中枢神经系统靶向输 运BACE1 siRNA从而治疗阿尔兹海默症叫以及 巴塞尔大学研究人员开发的“mRNA载带-中枢神 经靶向-高效生产一体化”的外泌体用于治疗帕金 森氏病等刈；（4）外泌体还能作为纳米清道夫，如通过基因工程手段改造树突状细胞来源的外泌 体，使其表面表达F as配体来中和掉T细胞表面的 F as,抑制T细胞对正常组织的攻击，抑制自身免 疫疾病以及迟发型超敏反应I叫总的来说，无论 是作为药物递送的载体，还是充当生物大分子的 展示平台，利用合成生物学手段改造的外泌体具 有很强的可操作性和实用性。1.3 细菌外膜囊泡细菌外膜囊泡（outer membrane vesicles,006合成生物学第xx卷OMV)主要是由革兰氏阴性细菌外膜出泡产生的 球形天然囊泡，富含大量来自于细菌的病原相关 分子模式，如脂多糖、肽聚糖、蛋白、核酸等，因此能够高效激活免疫系统，常被用作病原微生 物疫苗或疫苗载体皿。通过基因工程改造，将流 感病毒、人乳头状瘤病毒、肺炎球菌、金黄色葡 萄球菌、鲍氏不动杆菌的抗原融合表达在大肠杆 菌产生的OMV中，能够刺激机体产生针对这些病 原微生物的特异性抗体，进而起到有效预防的作 用血。除了融合表达蛋白抗原，康奈尔大学的研 究人员.通过合成生物学技术，将大肠杆菌表面 的LPS中的O抗原多糖替换成目标致病菌的O抗原 多糖，实现基于OMV的多糖抗原展示，刺激小鼠 产生了针对目标致病菌的抗体和抵抗力。除了病原微生物领域，OMV也常被用于肿瘤 免疫治疗。天然的OMV具有免疫刺激作用，本身 就具备一定的抗肿瘤活性，能够刺激IF Ny介导的 抗肿瘤免疫反应;本团队在此基础上，在 OMV表面融合表达了 PD-1分子的胞外区，使其在 有效刺激免疫系统的基础上还能够抑制肿瘤细胞 对免疫细胞的耗竭，实现更强的抗肿瘤免疫效果。另外，本团队还利用基因工程和分子胶水技术，构建了一种能够快速展示肿瘤抗原的OMV肿瘤疫 苗平台，只需要合成带有标签的肿瘤抗原肽就能 实现肿瘤疫苗的快速合成，这种“即插即用”的 设计更加符合复杂多变的肿瘤抗原的临床需求。总的来说，由于OMV本身具有免疫原性，使 得它在疫苗载体方面获得广泛关注和应用，但是 目前我们对OMV的结构、成分的了解还不够深 入，仍需要进一步的研究和探索才会使OMV疫苗 有机会应用到临床一线。1.4 细菌生物被膜细菌生物被膜(bacteria biofilm)是由细菌分 泌的能包裹自身的多聚物基质，主要成分有DNA、RNA、淀粉样蛋白、多聚物基质以及菌体本身，能将细菌粘附于物体表面，并具有帮助细菌在恶 劣环境中存活的作用。一般情况下，生物被膜 的存在大多对人类不利，如生物被膜附着在医疗 设备表面，将会引起严重的感染或死亡；生物被 膜的存在也会导致牙菌斑的形成，进而腐蚀牙齿。然而从材料角度来看，生物被膜是一种很好的生 物粘附材料。大肠杆菌的生物被膜中主要起组装 粘附作用的是淀粉样蛋白Curli,其主要亚基是 CsgA蛋白。作为一种单一蛋白质，CsgA蛋白具有 组装成淀粉样纳米纤维的能力，是基于生物被膜 的粘附材料开发首选对。此外，枯草芽抱杆菌分 泌的生物被膜也在近些年来被广泛研究，与大肠 杆菌不同，该生物被膜主要蛋白质为TasA,具有 可塑的粘弹性、温和的抗菌性以及形成水-气界面 的倾向性，因此TasA在生物材料领域中也具有很 强的应用价值钟超团队,常年致力于该领域的研究，开发 了多种基于生物被膜的生物粘附材料和体系，比 如将CsgA与藤壶和贻贝分泌的足丝粘蛋白融合表 达，经过大肠杆菌表达纯化获得了一种生物水下 纳米纤维粘合剂；在CsgA上连接His标签，并构 建蓝光控制的蛋白表达系统，在纳米颗粒表面修 饰能够结合His标签的氮三乙酸官能团，通过控制 蓝光的照射面积和时间即可实现纳米颗粒可控自 组装5G；构建具有血液响应性的基因调控线路，控制CsgA-足丝粘蛋白”的表达，带有这一基因 线路的大肠杆菌能够准确识别肠道出血点，并在 原位分泌“活胶水”，实现精准的修复，为消化道 出血的治疗提供新策略网。大肠杆菌curli系统蛋 白分泌能力不足(仅限于分泌短肽或包含最多59 个氨基酸的蛋白结构域)及安全性问题，从而限 制了其生物被膜活体材料的功能范围。而枯草芽 抱杆菌具有生物安全性和强大的蛋白分泌能力，利用合成生物学技术将不同功能的蛋白或结构域 与TasA融合表达并分泌，在胞外形成功能性纳米 纤维，有潜力作为生物材料、生物医学、环境能 源、海洋工业等领域的活体生物材料制造平台54O 总之，通过精准的合成生物学设计，就能够将原 本有害的生物被膜改造为高效的基于天然纳米纤 维的生物粘附体系，有潜力在生物医药领域发挥 重要作用。1.5 病毒样颗粒病毒样颗粒(virus lik e particle,VLP)是通过 第 XX 卷 007基因工程重组表达的病毒蛋白，经过自组装形 成的类病毒复合物，其内部不含有病毒核酸，不可自主复制，因此能够引起类似病毒的生物 学反应而没有传染性/致病性621。VLP表面具 有很多重复的蛋白结构，能够与B细胞表面的受 体产生多价态结合3、同时也可以被抗原递呈 细胞摄取处理并激活T细胞，因此VLP常常被 设计成疫苗载体，用于疾病的预防和治疗31。例如，华盛顿大学的King团队64-66通过计算机 拟合构建了一种能够控制表面蛋白数量的人工 VL P,利用融合表达的方式在这种VLP表面展示 了多种病毒抗原，如新冠病毒、艾滋病毒、呼 吸道合胞病毒等，有效增加了抗原拷贝数，使 其具有更强的免疫原性；牛津大学的Howarth团 队则考虑到融合表达有外源抗原的VLP可能 会影响其自组装过程，因此设计了一种与“即 插即用 0MV疫苗载体类似的VLP载体，在自 组装完成后利用分子胶水来抓取抗原；麻省理 工学院的Kiessling团队通过在噬菌体Q 3表面修 饰了一层甘露糖配体芳基甘露糖甘，使其能够 通过树突状细胞表面的C型凝集素受体诱导其成 熟和炎症因子释放，进而介导1型辅助型T细胞 免疫应答，说明VLP在细胞免疫过程中同样具 有非常好的应用前景；通过在VLP表面融合 表达修饰一种来自贾第虫的变异特异性表面蛋 白，能够抵挡小肠消化液水解，以此构建一种 口服VLP疫苗，在流感病毒的预防中展现出良 好的效果知。除了疫苗载体应用外，由于VLP不含病毒 核酸，其内部会存在一定的空间，很多研究也 将VLP作为药物或核酸等生物大分子的递送载 体。如蔡宇伽团队利用VLP构建了一种递送 mRNA载体，输运Cas9 mRNA进而实现对靶细 胞的基因编辑，克服腺相关病毒等载体运载能 力小的问题，在黄斑性病变的小鼠模型中取得 了敲除40%靶基因的同时几乎没有脱靶效应产 生的治疗效果。总的来说，由于结构可控和成分明确，VLP 是目前最具开发前景的疫苗载体之一；同时通 过人为改造，还可以将其转化为递送载体，是 一种实用性特别强、灵活性特别高的“仿生 命体”。2智能化的“半生命体”研究随着合成生物学的发展，通过基因工程改造 并利用细菌、细胞等生命体治疗疾病，是目前的 研究热点，特别是利用基因改造的T细胞（如 CAR-T）治疗肿瘤，已经在临床上大获成功。传 统的合成生物学主要集中在基因逻辑环路的构建,使工程化细菌和细胞能够实现活性分子的可控合 成和释放。然而，一些特殊功能如体内示踪、实 时操控等，则无法实现。因此，通过纳米材料对 细菌或细胞进行修饰，构建纳米人工杂合生物系 统，实现传统合成生物学无法满足的功能强化，这些由生命体和纳米材料组装的“半生命体”代 表着细菌或细胞治疗的未来发展方向之一。2.1 细菌机器人2.1.1 细菌疗法的发展与应用早在19世纪，人们就发现感染梭菌或丹毒的 肿瘤患者会出现自发性的肿瘤消减7如。随后在 20世纪初，肿瘤免疫治疗先驱Coley医生将热灭活 链球菌和沙雷菌制备成“科利毒素”，在多种肿瘤 患者中明显改善了病情。20世纪70年代，卡介 苗芽抱杆菌被F DA批准用于治疗浅表非肌肉浸润 性膀胱癌。尽管经过了长达一个世纪的探索，卡 介苗的抗肿瘤疗效也受到了广泛的关注和认可，但是细菌感染和毒性仍然是细菌疗法的主要障 碍办7支 随着基因工程技术的发展，减毒沙门氏 菌和产气荚膜梭菌逐渐被开发出来并在肿瘤治疗 研究中发挥重要作用旬。进入21世纪，纳米技术 进展迅速，纳米材料与细菌疗法的交叉研究逐渐 崭露头角：结合合成生物学的生物模块改造和纳 米材料的化学元件修饰，构建智能型“纳米杂合 细菌”，可以实现精准调控细菌的运动、代谢和活 性分子合成及控释等行为。由于肿瘤局部的缺氧环境和免疫抑制，细菌 在肿瘤组织内的选择性定殖决定了细菌作为靶向 性“抗癌药”或药物载体的潜力口咒完美的癌症 疗法可以想象为一个可以执行多项功能的“机器 008合成生物学第xx卷人”：靶向肿瘤、产生细胞毒性分子、自我推进、对触发信号做出反应、感知局部环境、产生外部 可检测的信号。细菌具有执行这些功能的生物学 机制，可作为癌症治疗“机器人”沟。相比被动疗 法（化疗和放疗）对肿瘤组织的低选择性和渗透 性，微小的智能化“细菌机器人”可以特异性地 靶向肿瘤组织，渗透到肿瘤内部区域，并且感应 肿瘤微环境内部生化或外部物理信号，实现高效 精准的肿瘤治疗37汽目前，这种“细菌一纳米材 料”杂合系统的应用研究已经覆盖多个方向，包 括免疫治疗、光控细菌代谢治疗、光热治疗、光 动力治疗、药物递送与控释以及生物成像等0 根据细菌机器人的响应控制类型，可大概分为光 响应型、磁驱动型、超声感应型等皿83（图2）。2.1.2 光响应型细菌机器人目前，细菌的光响应能力一般是通过含有光 控启动子的基因环路或纳米光敏材料修饰实 现70,8支王汉杰团队76利用响应蓝光的启动子质 粒对细菌进行基因工程改造，实现TGF-B1蛋白和 IF N-y蛋白的光控表达；随后通过壳聚糖-海藻酸钠 交联凝胶将稀土上转换纳米材料与工程菌包裹后 口服递送至肠道，稀土上转换纳米材料将近红外 光转换为局部有效的蓝光，避免了蓝光组织穿透 性差、神经毒性强的问题；这种“细菌-纳米材料”杂合系统实现了从体外控制肠道内细菌行为，能 够有效地抑制小鼠溃疡性结肠炎和肿瘤生长。张 先正团队则将碳量子点掺杂的氮化碳纳米粒子 修饰在细菌表面，同时通过基因工程改造使细菌Semi-organismBacterial robotsPhotothermal/Photodynamic/Optically-controlled Bacterial therapyMagnetically driven micro-robotNatural magnetotactic bacteriaGenetically engineered magnetotactic bacteriaLight-responsive micro-robotUpconversion nanomaterialsMagnetic nanoparticle modified bacteriaTumor areaUltrasonic induction micro-robotMagnetically driven bacterial delivery and trackingLight-responsive engineering bacteriaNanophotosensitizerszNano-scale gas vesiclesEngineering bacteria producing gas vesiclesUltrasound imagingn图2细菌机器人的设计与应用Fig.2 Design and applications of bacterial robots;Nanomaterials are used to modify bacteria to build bacterial robots with special functions,including magnetic driven bacterial robots,light responsive bacterial robots,and ultrasonic sensing bacterial robots,which can realize in vivo monitoring and real-time control through external phy sical signals.第 XX 卷 009表达一氧化氮合成酶，实现了在光照条件下纳米 粒子光电反应产生的电子进入细菌发生内源性 NO3-还原和一氧化氮生成，最终引起肿瘤细胞凋 亡；此项研究借助纳米材料的修饰实现了对细菌 代谢的精准调控。此外，蔡林涛团队,通过将负 载光敏剂口引口朵菁绿的纳米颗粒修饰在减毒沙门氏 菌表面，借助于细菌本身的肿瘤靶向性，开发出 了可用于肿瘤局部光热治疗和光动力治疗的细菌 机器人。2.1.3 磁驱动型细菌机器人趋磁性是构建磁驱动型细菌机器人的关键，目前主要有三种策略获得带有趋磁性的细菌，分 别是天然驱磁细菌、合成生物学改造以及磁性纳 米材料修饰。海洋趋磁细菌可在细胞内形成磁性纳米颗粒（又称“磁小体”），对地球磁场产生趋磁响应，具有天然的磁敏性，因此常被研究者用于磁驱动 型细菌机器人的主体。Martel团队的利用驱磁细 菌MC-1,在磁场引导下菌群通过“磁气浮作用”迁移至低氧区域，将表面修饰的载有药物的纳米 脂质体转运到肿瘤区域。蔡林涛团队以海洋趋 磁螺菌AMB-1作为主体，通过迈克尔加成反应将 负载ICG的纳米颗粒偶联在细菌表面，构建一种 顺序性磁驱动和光触发的细菌机器人；通过磁共 振和荧光成像可控制和跟踪监测其在体内的运动 路线，在肿瘤部位通过激光照射可实现光热治疗，为实现肿瘤精准治疗开辟了新途径。除了天然趋磁细菌外，利用合成生物学的基 因工程技术改造细菌，使其细胞内表达铁存储蛋 白或铁结合蛋白也可以用来磁化天然非磁性细 菌Mo Gueroui团队利用合成生物学技术在大 肠杆菌内表达铁储存蛋白，然后将细菌培养在富 含铁的培养基，经生物矿化后在细菌内形成富含 铁、氧、磷的无定形氧化铁矿物质。这种磁响应 大肠杆菌是可通过细胞分裂传给子代，具有作为 磁驱动型细菌机器人的潜力。趋磁细菌的磁敏性归因于胞内合成的“磁小 体”；受此启发，新型的磁驱动型生物杂合系统可 通过偶联磁性纳米材料来实现87o Sitti团队将 嵌合有磁性纳米材料和阿霉素的聚电解质多层微 粒附着在大肠杆菌表面，在磁力驱动作用下，这 种磁驱动型微纳生物杂合系统可快速地将阿霉素 输运至肿瘤部位。张先正团队即将磁性纳米材料 修饰在螺旋微藻的表面，在外部磁场控制下可靶 向运动至深层组织；微藻内含有的叶绿素具有荧 光特性，无需修饰即可用于体内荧光成像和远程 诊断感应。无独有偶，周民团队同样将磁性材 料修饰在微藻表面，实现磁驱动型肿瘤靶向，更 重要的是微藻中叶绿体的光合作用和光敏特性能 够增强放疗的治疗效果和实现光动力协同治疗。总之，利用磁性纳米材料对非趋磁细菌进行磁动 力改造的策略，让研究不再局限于天然趋磁细菌，增加了可选择性。2.1.4 超声感应型细菌机器人相比于光学、磁共振和核医学成像领域，超 声成像领域一直缺乏有效的纳米尺度造影剂，限 制了超声成像的发展网。2014年，Shapiro团队网 发现某些水下光合生物体（如鱼腥藻）中会表达 一种具有充气纳米结构的蛋白，作为它们调节浮 力的一种手段；这种纳米气体囊泡可以产生稳定 的超声对比度，适合作为超声成像剂。在2019年，他们团队通过基因重组技术，优化并整合编码 气体囊泡的工程基因簇到大肠杆菌和沙门氏菌的 基因组中，构建了能产生纳米气囊的工程菌株。研究发现这种工程菌能够以低于0.01%的体积密 度，小于100|im的分辨率进行无创超声成像，且 检测深度超过10 cm,能在胃肠道和肿瘤中进行定 位成像。他们的研究创造性地发展了一种能够无 创、准确、可实时监控细菌运动的技术，为细菌 疗法在胃肠区及肿瘤区的精准控制和治疗诊断提 供了基础。未来，这种工程化的声感探测器有潜 力深入胃肠道来监测胃肠道的生