工程活体材料的环境应用.pdf

第6 2卷 第5期厦门大学学报(自然科学版)V o l.6 2 N o.5 2 0 2 3年9月J o u r n a l o fX i a m e nU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)S e p.2 0 2 3 h t t p:j x m u.x m u.e d u.c nd o i:1 0.6 0 4 3/j.i s s n.0 4 3 8-0 4 7 9.2 0 2 3 0 4 0 1 3环境功能材料与技术专题特约综述工程活体材料的环境应用任 磊1,2*,杜佳豪1(1.厦门大学材料学院,福建 厦门3 6 1 0 0 5;2.固体表面物理化学国家重点实验室(厦门大学),福建 厦门3 6 1 0 0 5)摘要:合成生物学与材料科学的碰撞诞生了一种新的材料形式,即工程活体材料(e n g i n e e r e d l i v i n gm a t e r i a l s,E L M s),它由嵌入细胞外基质的活细胞或生物群落组成.与树木、皮肤等天然材料类似,E L M s不仅具有材料的属性,同时具有生命体的“活体”属性.它可以自我复制,自我生长,自我感知,还可以在受到外界刺激后行使特定的生物学功能.目前,E L M s在生物修复、绿色能源生产和智能材料制备等方面显示出很好的应用前景.本文总结了E L M s的设计方法及其在促进可持续发展和缓解环境问题方面的应用.关键词:工程活体材料;合成生物学;材料科学;可持续性;环境修复中图分类号:Q8 1 2 文献标志码:A 文章编号:0 4 3 8-0 4 7 9(2 0 2 3)0 5-0 7 4 4-1 4收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 8 录用日期:2 0 2 3-0 6-2 1 基金项目:国家自然科学基金(U 1 9 0 4 2 0 6,3 2 2 7 1 4 6 9)*通信作者:r e n l e i x m u.e d u.c n引文格式:任磊,杜佳豪.工程活体材料的环境应用J.厦门大学学报(自然科学版),2 0 2 3,6 2(5):7 4 4-7 5 7.C i t a t i o n:R E NL,D UJH.E n g i n e e r e d l i v i n gm a t e r i a l s f o re n v i r o n m e n t a l a p p l i c a t i o n sJ.JX i a m e nU n i vN a tS c i,2 0 2 3,6 2(5):7 4 4-7 5 7.(i nC h i n e s e)不可再生资源的快速消耗和工业化带来了严重的环境问题,寻找合适的方法解决环境问题已成为当今世界的核心问题.从自然界中获取灵感来治理环境问题是一种有效的方式,因为自然界的生物体经过亿万年的演化已成为高效的生物工厂1.在这些生物体的生长代谢过程中,人类可以获得所需的生物材料和可再生能源.例如,聚羟基脂肪酸酯(p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e,P HA)这种可降解高分子材料已经在多种细菌中被发现2.同时,自然界中生物体的代谢活动也可以降解环境污染物.例如,I d e o n e l l a s a k a i e n s i s细菌可以降解塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯,并以降解产物为能量生存3.1 9 7 0年以来,基因工程的发展为生物工厂开辟新的可能.各种定制的代谢途径被引入细菌、真菌、植物,甚至动物细胞中,用来生产小分子(如胰岛素、青蒿素等)和蛋白质材料(如蛛丝蛋白、胶原蛋白)4.2 1世纪初,随着合成生物学的出现,生物工厂获得了更大的发展.合成生物学集成了模块化、标准化等工程原理,显著提高了生物系统的可编程性5.人工设计的基因回路赋予生物体检测信号(如光、温度和化学分子)的能力,随之将检测到的信号转化为生理信号,并驱动生物执行预先设定的功能(如细胞迁移、细胞分化、生物合成等).因此,合成生物学技术整合了生命对外部信号的感知、处理和驱动能力,对于设计具有定制功能的生物材料具有深远的影响6.材料合成生物学是材料科学和合成生物学融合的新兴领域7,合成生物学与材料科学的碰撞诞生了一种新的材料形式,即具有独特“活”属性的工程活体材料(e n g i n e e r e dl i v i n gm a t e r i a l s,E L M s).与天然来源或工业发酵生物质制成的传统生物材料不同,E L M s由嵌入细胞外基质中的活细胞或生物群落组成.通过对E L M s中的生物体进行基因编程可以控制材料的性质.得益于E L M s中来源于自然界的生物体,E L M s具有和生命一样的特征,包括自我生长、自我繁殖、自我修复、从生长环境中收集能量以及动态的环境响应.此外,E L M s的优势还在于其生产过程温和,并且可在自然条件下降解,不会对环境造成负担.因此E L M s成为绿色能源生产、污染物修复和生物制造的理想材料8-1 0.本综述总结了E L M s的最新研究结果(图1),首先介绍用于设计E L M s的合成生物学技术,包括胞外聚合物修饰技术、微生物表面展示技术、基因回路设计;其次介绍用于设计E L M s的材料制备技术,包括提高E L M s中微生物活性以及E L M s的材料制备方第5期任 磊等:工程活体材料的环境应用h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n式;最后介绍E L M s在环境领域的最新发展以及未来的发展趋势.图1 E L M s的设计方案和环境应用F i g.1 T h ed e s i g ns c h e m e a n de n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o no f t h eE L M s1 利用合成生物学技术设计与构建E L M s 合成生物学技术能够利用模块化、标准化等工程原理来构建基因回路从而设计细胞的行为,可将微生物的遗传信息进行重编程,使微生物成为具有特定功能的生物材料7-8.通过基因编程这种“自下而上”的合成生物学技术可构建工程微生物.目前常用的合成生物学的设计策略主要包括胞外聚合物修饰、微生物表面展示和基因回路设计.通过合理设计,越来越多的工程微生物已被用于生物传感、疾病治疗以及生物燃料等7,1 0-1 1.1.1 胞外聚合物修饰技术胞外聚合物是微生物在特定条件下分泌的高分子聚合物,主要包括蛋白质和多糖1 2.利用合成生物学技术可通过在细胞中引入人工设计的基因回路实现对 胞 外 聚 合 物 的 修 饰.例 如 对 大 肠 杆 菌(E s c h e r i c h i a c o l i)的生物被膜修饰已经取得很大的成功.大肠杆菌生物被膜主要由c u r l i纤维和胞外多糖构成,其中c u r l i纤维占比8 0%左右1 3.2 0 1 4年以来,C h e n等1 4通过重编程大肠杆菌生物被膜的合成途径,合成了第一个E L M s.这种基于生物被膜的E L M s可以通过四环素诱导c u r l i纤维的表达来形成基于c u r l i纤维的图案.N a n i v a nG e r v e n等1 5进一步将多肽或蛋白质结构域附加到C s g A(大肠杆菌生物被膜c u r l i纤维的单体)上,开发了一种基于c u r l i纤维的展示平台.该研究证明生物被膜中的纳米纤维可以与不同种类的蛋白质相互融合,实现多种功能,如:将具有还原性的A 3肽融合表达在c u r l i纤维上可获得纳米金颗粒.后续的工作扩展了这种展示平台,开发了一系列基于大肠杆菌生物被膜的E L M s,并取得广泛的应用,包括水下胶水1 6、生物催化剂、电纳米材料、污染物 吸 附 剂 和 杂 化 生 物 材 料1 7-2 2 图2(a).S i v a n a t h a n等2 4借助C s g A信号肽和过表达外膜蛋白C s g G,并利用c u r l i生物被膜分泌途径输出其他淀粉样蛋白 例如酿酒酵母(S a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a e)S u p 3 5.这 种 方 法 已 被 用 于 开 发 由 重 组 藤 壶(B a l a n u s)淀粉样蛋白组成的活体黏合剂和天蚕素A等蛋白药物的生产2 5.1.2 微生物表面展示技术细菌主要由细胞壁、细胞膜、细胞质和核质体等构成.其中细菌的细胞壁或细胞膜上都存在很多驻留蛋白,包括O m p A、i n t i m i n和H l y A c等蛋白.这些蛋白可以作为锚定基序用于融合表达外源性的功能多肽或功能蛋白,从而将外源蛋白嵌入宿主细胞膜中2 6-2 7.值得注意的是,微生物的表面展示效率与被展示分子的大小和空间构象密切相关.因此,选择合适的表面展示系统对于制备E L M s至关重要.每个 大 肠 杆 菌 细 胞 可 以 表 达 多 达1 0万 个O m p A,因此与O m p A融合可以在微生物表面高密度展示功能蛋白2 6.S c o t t等2 8构建了一种可自组装的E L M s,其方法是将能与苄基鸟嘌呤(b e n z y l g u a n i n e,B G)形成共价键的S N A P-t a g同O m p A进行融合表达.这些表面富含S N A P-t a g的工程大肠杆菌可以高效捕获B G,并可以进一步用于B G官能团化材料的组装.K i r p a tK o n a k等2 3将硅酸盐酶的重复序列R 5肽与大肠杆菌膜表面的A g 4 3蛋白融合表达,开发了一种用于S i O2沉积的工程菌 图2(b),并用于刺激人牙髓干细胞的分化.C h e n等2 9开发了一种活体导电材料,它由两种工程大肠杆菌组成:一种是表面展示纳米抗体 骆驼(C a m e l u s)重链抗体的可变结构域,另一种是表面展示抗原多肽,依靠抗原和纳米抗体的特异性结合,将两种大肠杆菌共价结合;进一步将金纳米颗粒与大肠杆菌表面的组氨酸结合,得到具有导电特性的大肠杆菌.该大肠杆菌还可以与海藻酸钠凝胶形成活体导电凝胶材料,并可以制作可穿戴设备中的导电线.更有意思的是,得益于凝胶中的活体细菌,该凝胶导电线被切断时可以通过细菌的生长实现自愈合.547厦门大学学报(自然科学版)2 0 2 3年h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n除大肠杆菌外,在真核细胞中也发现了多种表面展示系统.酵母是常见的真核表达载体,常用的酵母表面 锚 定 蛋 白 有A g 1 p、A g a 2 p、C w p 1 p、C w p 2 p、T i p 1 p、F o l 1 p、S e d 1 p和P i r 1等3 0.酵母表面展示系统在筛选性能优异的蛋白方面具有巨大潜力,包括蛋白质的结合亲和力、稳定性和催化活性等.W a n g等3 1通过将硅酸盐酶与酵母的C w p 1 p的N端融合表达开发了一种可再生的活材料,其表面展示的硅酸盐酶可以催化硅酸水解形成S i O2颗粒,从而形成S i O2-酵母的复合材料.由于酵母表面S i O2颗粒的疏水性和多孔结构,这种新型的活体材料可以吸附C r3+和正十六烷,从而实现环境污染物的吸附.(a)通过修饰细菌的胞外聚合物来构建E L M s2 2;(b)通过细菌表面展示技术构建硅酸盐矿化的E L M s2 3.图2 基于合成生物学技术构建E L M s的代表性示例F i g.2 R e p r e s e n t a t i v e e x a m p l e so f c o n s t r u c t i o no fE L M sb a s e do ns y n t h e t i cb i o l o g y t e c h n i q u e s1.3 微生物胞内纳米结构修饰在天然微生物中,已经进化出很多的纳米结构用于实现各种生物学功能,包括各种细胞器和蛋白质纳米颗粒等3 2.其中蛋白质纳米颗粒在E L M s领域受到越来越多的关注.在一些光合细菌中,存在一种充气的蛋白质纳米颗粒,这种蛋白质纳米颗粒被称为气囊.气囊可以通过充气和放气来调节细菌在水中的高度.气囊是一种有趣的生物材料,可以在特定的条件下塌陷从而产生独特的声学信号,同时可以通过合成生物学技术将这种“声学报告基因”转入其他生物体.B o u r d e a u等3 3通过将编码气囊的基因异源表达在大肠杆菌和鼠沙门氏杆菌(S a l m o n e l l a t y p h i m u r i u m)中,从而获得在胃肠道或肿瘤部位的超声造影剂.F a r h a d i等3 4进一步将这种“声学报告基因”引入哺乳动物细胞,然后在哺乳动物细胞中产生气囊.这种气囊结构在被液体包围时反射声波,产生超声对比,使研究人员能够实时观察动物的细胞过程,例如实时基因表达.此外,细胞内气囊结构在作为测量酶活性的生物传感器和超声触发药物递送的活体载体方面展现出巨大的前景.使647第5期任 磊等:工程活体材料的环境应用h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n用合成生物学技术生产的基因工程细胞可用于疾病部位的空间定位,然后通过超声处理细胞内表达的气囊使细胞破裂,原位释放药物3 5.未来基于气囊的E L M s可以用来定位病灶同时进行可控的治疗.1.4 基因回路设计基因回路是指利用现有的对基因和蛋白调控网络机制的研究来控制目的基因的表达.基因回路主要包括3个核心模块:传感、处理和输出.其中传感模块负责接收环境刺激并将其转换为特定的生理信号,处理模块负责精确处理输入的生理信号并向下游传输命令以执行最终的细胞行为(例如细胞生长和生物合成等),因此传感和处理模块的设计至关重要.合成生物学技术可以在微生物中引入人工基因回路,使微生物执行预先设定的功能,从而使工程微生物的E L M s更可控、更智能1 1.已有研究通过对基因回路中3种模块的合理搭配开发了一系列人工基因回路,包括对化学分子的检测、对热或光的响应、对复杂的病原体检测和振荡系统.例如,M i m e e等3 6开发了一种可摄入的电子胶囊用于胃肠道出血的监测.该胶囊主要包括基于光电芯片的荧光识别模块和工程大肠杆菌.工程大肠杆菌集成了血红素传感的基因回路,可以在血红素存在的情况下激活荧光蛋白的表达;光电芯片可以将荧光信号输出为电信号,从而实现远程监测体内的胃肠道出血.基因回路除作为生物传感器外,还可以通过简单地设置输出模块来外泌蛋白质或者聚合物,从而构建E L M s.J i n等3 7利用蓝光诱导形成图案化的E L M s,设计了一种工程大肠杆菌,可以在蓝光调控转录系统的调节下表达黏附蛋白A g 4 3,通过A g 4 3之间的黏附作用形成高分辨率的细菌图案.T a y等3 8开发了一种基于生物被膜的E L M s,可实现按需螯合重金属离子.在这项工作中,生物被膜的形成受H g2+调控,当H g2+进入细胞并与转录因子M e r R结合,M e r R对M e r R基因的启动子Pm e r R的抑制作用消失,从而使工程化大肠杆菌开始分泌c u r l i纤维.这种E L M s具有动态响应性,即该活性工程菌在感知到H g2+时,可进一步分泌c u r l i纤维,外泌的c u r l i纤维可通过静电作用将H g2+吸附在工程大肠杆菌表面,从而实现按需进行环境生物修复的效果.微生物之间利用可扩散的信号分子如群体感应(q u o r u ms e n s i n g,Q S)分子进行信息交流,从而控制整个生物群落的行为.通过将细胞间通讯系统引入微生物来设计E L M s可以使材料实现自主的性能调控.W o o d等3 9将Q S系统引入大肠杆菌,当大肠杆菌的数量上升到一定程度时,细菌开始分泌Q S信号分子,当Q S信号分子达到一定浓度时,其会触发B d c A蛋白的表达,B d c A可以诱导细菌生物被膜的分散,从而自主控制细菌生物被膜的厚度.除了利用Q S信号分子进行信息交流以外,降解Q S信号分子提供了另一种控制生物群落的方式.M u k h e r j e e等4 0构建了第二信使环鸟苷二磷酸(c y c l i cd i g u a n y l a t e,c-d i-GM P)的合成酶和水解酶基因回路,并将其引入大肠杆菌,设计了一种群体淬灭细菌,它可以通过上述基因回路来调控生物被膜生长.当群体淬灭细菌持续表达降解Q S信号分子的酰基高丝氨酸内酯酶(a c y l h o m o s e r i n el a c t o n a s e,a i i A),可以降解微生物培养基中的高丝氨酸内酯(h o m o s e r i n e l a c t o n e,AH L),从而抑制其他细菌生物被膜的形成.除利用一种微生物进行E L M s的设计外,两种或多种微生物的共培养系统同样受到越来越多的关注.在自然界中,有多个微生物群落的微生物联盟广泛存在,具有代表性的一个例子是胃肠道的微生物联盟,它可以抵抗外来的病原微生物,促进食物消化,与人体和谐共生4 1.将微生物联盟用于E L M s的设计有两个重要的优势:1)微生物之间可以相互协作,从而使材料具有更复杂的功能;2)微生物之间可以通过信号分子进行交流,从而使每种生物群落可以动态感知其他微生物群落.W a n g等4 2利用聚合物微胶囊对不同种类的微生物进行封装,从而构建微生物联盟.这种微胶囊封装的方式可以实现多种微生物亚群之间的精确控制,从而实现多种蛋白质的生物制造.有趣的是,这种策略还实现了光合微生物与大肠杆菌的共生微生物联盟,从而实现光合自养的微生物联盟.2 利用材料学方法设计与构建E L M s尽管E L M s具有动态响应和基因编程的特性,但是仅由活细胞制成的材料在实际应用中仍然受到许多限制,例如机械强度弱,微生物易受污染等.解决这些问题的一种策略是将活细胞嵌入非生物成分(例如聚合物水凝胶和无机矿物质)中,非生物成分为活细胞提供机械支持的同时赋予特定的物理化学功能,非生物成分与活细胞的混合推动了E L M s的发展.2.1 维持E L M s中微生物活性的材料策略微生物的长期生存需要合适的温度和p H值,同时还需要充足的营养物质.当外部环境改变,如极端的p H值和温度,微生物很容易被杀死,因此需要选择合适的策略进行保护.水凝胶、聚合物涂层和无机矿747厦门大学学报(自然科学版)2 0 2 3年h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n物等已经被用于保护微生物.其中水凝胶作为一种具有良好生物相容性的三维材料,受到越来越多的关注4 3.水凝胶是一种由亲水性聚合物形成的三维网络凝胶,是用于保护微生物的理想材料.水凝胶具有以下优势:1)水凝胶的含水量高,为E L M s中的微生物提供了生长所需的水环境;2)往水凝胶中添加营养物质可以保证封装在水凝胶中的微生物长期存活;3)水凝胶的多孔结构和渗透性确保水凝胶与外部环境之间的分子交换,同时还可以保护细胞免受恶劣的外部环境(如低p H、低温和噬菌体)的影响;4)在某些情况下,水凝胶还可以充当生物容器,通过提供化学或物理屏障来防止工程微生物泄漏,从而保障生物安全4 3.制备水凝胶的材料主要有透明质酸、壳聚糖、海藻酸钠和聚丙烯酰胺等.其中来源于褐藻细胞壁的海藻酸钠是最常见的水凝胶材料,可以在温和的条件下凝胶化,而且具有低成本、高氧气通透性和忽略不计的细胞毒性,被认为是一种理想的细胞支架物质,在组织工程和再生医学中得到广泛的应用4 4.T a n g等4 5开发了一种核壳结构的水凝胶微球,其中海藻酸钠水凝胶作为微球的核心用来封装细菌,同时引入聚丙烯酰胺水凝胶外壳来防止细菌泄露.这种水凝胶微球不仅可以保护细菌免受恶劣的外部环境的影响,还可以有效防止内部的细菌外泄到环境中.G a o等4 6通过将工程大肠杆菌封装在海藻酸盐水凝胶中来制备活体凝胶,这种活体凝胶可以在有机试剂中持续地催化羧基化邻苯二酚的生产 图3(a).此外,研究人员还将基于海藻酸盐的E L M s用于环境监测.如:B e l k i n等4 9将含有2,4-二硝基甲苯和2,4,6-三硝基甲苯诱导基因回路的大肠杆菌封装在海藻酸盐凝珠中,将其用于远程探测埋藏的地雷.除了海藻酸钠等多糖水凝胶以外,一些蛋白质水凝胶也可以很好地保护生命系统.D u r a j-T h a t t e等5 0将过滤收集的c u r l i纳米纤维在5%(质量分数)十二烷基硫酸钠(s o d i u md o d e c y ls u l f a t e,S D S)溶液处理下形成水凝胶,采用这种水凝胶制备的活体凝胶表现出显著的自我再生能力,并能延长微生物在肠道中的滞留时间.2.2 E L M s的材料制备方法因为生命系统的脆弱性,所以构建E L M s需要温和的材料制造技术.浸涂法、静电纺丝、3 D打印等材料制造技术已经在材料学中得到广泛应用,并被认为是合适的E L M s制备手段.首先这些材料制备技术操作简单,可以用于大规模的材料制备;其次这些技术加工条件温和,可以最大程度保证E L M s中微生物的活性;最后这些技术可以满足微米到亚微米尺度上的操控,保证了E L M s材料的加工精度.浸涂法是一种常用的材料表面改性方法,即将需改性的材料浸入溶液中,溶液中的化合物可以通过共价或非共价键附着在材料表面.浸涂法在E L M s中的主要应用是在益生菌上涂覆纳米涂层,使它们能够抵抗恶劣的环境.W a n g等4 7通过将枯草芽孢杆菌(B a c i l l u s s u b t i l i s)的生物被膜涂覆到其自身表面,促进其抵抗胃部的低p H值,同时生物被膜对组织的黏附提高了枯草芽孢杆菌在肠道的定制效率 图3(b).另一个典型的例子是将芽孢杆菌(B.c o a g u l a n s)包封在壳聚糖和海藻酸钠形成的凝胶中,壳聚糖和海藻酸钠的涂层保护细胞免受胃酸和胆汁的侵害,同时促进对肠道组织的黏附.该策略已在治疗结肠炎和与肠易激综合征相关的疾病方面显示出潜在的治疗益处5 1.静电纺丝是一种简单、经济、高效的材料制备方法,通过将聚乙二醇、聚乙烯醇、丝素蛋白等聚合物与微生物混合,在磁场或电场的作用下制备直径在微米和亚微米级别的E L M s纤维.静电纺丝纤维中的聚合物基质既可以保护微生物抵抗环境压力,同时也为微生物提供了机械支撑.H a n等5 2用聚环氧乙烷和荧光大肠杆菌的均匀混合物制备的静电纺丝纳米纤维,保证了封装微生物的完整性和活力,可以用作生物反应器、医用支架和便携式生物传感器.3 D打印是一种重要的材料制造技术,能够制造具有复杂结构和功能的材料.生物成分的打印需求推动了3 D生物打印的发展,3 D生物打印大致分为光辅助3 D打印和基于材料沉积的3 D打印5 3.光辅助3 D打印技术是采用蓝光或紫外光照射来引发生物墨水(即生物成分和基质前体的混合物)的聚合,以实现特定位点的交联和固化.基于材料沉积的3 D打印,主要利用喷嘴以逐滴或逐行的方式在打印基材上沉积具有剪切稀化特性的生物墨水,沉积的生物墨水通过自主或外部触发(例如紫外光照射)快速凝固形成稳定的3 D结构 图3(c)4 8.通过优化打印参数,例如喷嘴直径、挤出流速和生物墨水特性(黏弹性行为等),可以制备高分辨率的3 D打印材料.透明质酸、丝素蛋白、热交联胶原蛋白、明胶、海藻酸盐和明胶甲基丙烯酰胺等是常见的生物墨水成分,它们可以在温和的条件下固化.生物体的范围从细菌孢子、细菌、酵母到藻类和哺乳动物细胞,这些生物体成分在3 D打印的材料中展现出独特的生物学功能(例如生物修复、生物催化和生物传感)5 4-5 6.L i u等5 7通过3 D打印技术打印了一个由聚丙烯酰胺和工程大肠杆菌构成的活体847第5期任 磊等:工程活体材料的环境应用h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n纹身,能够检测人体皮肤上的化学物质,展示了E L M s在智能可穿戴设备中的潜力.G o n z l e z等5 8制备了由琼脂糖溶液和枯草芽孢杆菌孢子制成的生物墨水.与脆弱的活细胞相比,休眠的细菌孢子可以承受恶劣的加工条件.他们的研究发现由于细菌孢子的出色抗逆性,这种E L M s能够在高温、有机溶剂和紫外光照射等恶劣条件下使用.此外,由于细菌孢子可以在水环境中萌发并执行程序化的生物学功能(例如表达由化学诱导剂触发的蛋白质),所以这种E L M s可以长期储存并执行特定的生物学功能.在这项研究中,他们开发了一种活体凝胶贴片,其含有可以分泌抗生素的细菌孢子,该细菌孢子通过感知金黄色葡萄球菌(S t a p h y l o c o c c u s a u r e u s)的信号来杀死皮肤伤口中的耐药金黄色葡萄球菌.(a)利用海藻酸钠水凝胶封装酵母用于生物催化4 6;(b)利用生物被膜涂层用于枯草芽孢杆菌的口服递送4 7;(c)基于3 D打印技术制备E L M s4 8.图3 E L M s的材料制备策略F i g.3 M a t e r i a l p r e p a r a t i o ns t r a t e g i e s f o rE L M s 除常见的水凝胶支架外,微生物分泌的胞外聚合物也可以作为生物油墨.D u r a j-T h a t t e等5 9开发了一种完全来自大肠杆菌c u r l i纤维构成的生物墨水.这种由工程c u r l i纤维组成的生物墨水具有剪切稀化的特性,能够精确打印多层结构和形状.同时,由于c u r l i纤维和微生物是可以基因编程的,所以基于c u r l i纤维的生物墨水可以通过合成生物学技术实现所需的生物功能,如分泌抗癌药物天青蛋白.更值得关注的是,胞外聚合物强大的保护作用和大肠杆菌自我复制的特点赋予这种E L M s良好的耐用性和自我再生性,使之成为具备可持续性的理想材料.3 E L M s在环境可持续发展中的应用根据联合国环境规划署的定义,可持续发展主要包括经济、环境、社会3个维度.具体而言,经济可持续是指以不剥夺未来资源再生的方式生产商品;环境可持续是指以环境友好的方式生产商品;社会可持续是指人类活动不会对当地的生态产生显著变化1 1.与传统的生物材料相比,E L M s是细胞外基质与活细胞组成的复合材料.得益于E L M s中活细胞的“活体”特点,E L M s可以像活细胞一样进行自我复制和进化,同时其制备过程温和,不会对环境造成损害,因此是理想的可持续发展材料.3.1 E L M s作为可持续发展材料通过合成生物学技术改造工程微生物可以生产多种有机和无机材料.与传统材料的生产过程相比,E L M s的生产过程更加温和,能源消耗低,且很少产生对生态系统有毒的副产品和污染物,具有更好的环境可持续性.例如,利用微生物发酵来制备化工原料(如乙醇和乙酸等)可以减少人们对石油的依赖6 0.与此同时,半导体材料与微生物杂化体构筑的人工光合系947厦门大学学报(自然科学版)2 0 2 3年h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n统可以吸收C O2用于特定化学品的高效生产,为促进“碳中和”提供了一种新的解决方案6 1-6 3.3.1.1 生物塑料塑料制品的大量使用会消耗大量能源并释放各种化学物质,这些化学物质对地球上几乎所有生态系统都有害6 4.除此之外,塑料的生产过程会使用大量的石油基聚合物单体,这在很大程度上依赖于不可再生的化石资源.相反地,由微生物和动植物生成的聚合物(如聚乳酸和P HA等)可以用来生产生物塑料,相比于传统的塑料,生物塑料具有更好的可持续性和生物降解性,是解决环境问题的理想选择2.(a)通过光合细菌诱导的生物矿化构建的活体建筑材料6 8;(b)生物矿化的微生物用于人工光合作用6 9;(c)工程酵母用于病原菌检测7 0.PT D H 3、PT E F 1、PP G K 1、PF U S 1代表不同的启动子;F MN.黄素单核苷酸;F A D.黄素腺嘌呤二核苷酸;F P P.法尼基焦磷酸酯;G G P P.香叶基香叶基焦磷酸;C r t E.香叶基香叶基二磷酸合酶;C r t B.八氢番茄红素合酶;C r t l.番茄红素合酶.图4 基于E L M s的环境应用示例F i g.4 E x a m p l e so f e n v i r o n m e n t a l a p p l i c a t i o n sb a s e do nE L M s传统塑料制品还会产生持久不可生物降解的塑料微粒,对人类和其他生物都有危害.W o o d w a r d等6 5研究发现塑料制品会分解成微塑料,在海洋和田地中大量存在,同时在海洋生物中也大量发现,因此开发生物基塑料至关重要.微生物已经用来生产多种生物基聚合物.嗜盐单胞菌(H a l o m o n a s)通过发酵得到的P HA是一种常见的生物塑料,具有结构规整、结晶度高的特点,已广泛应用于包装材料和人造骨钉2.然而P HA的生产需要对微生物进行裂解,生产成本较高.S a b i r o v a等6 6发现了一种细菌突变体A l c a n i v o r a x b o r k u m e n s i s,它可以表达羟酰辅酶A特异性硫酯酶,从而使P HA在细胞外积累,通过这种方式可以大大降低P HA的生产成本.除了聚酯类聚合物以外,由大肠杆菌产生的c u r l i纤维可以加工成水性塑料.这种塑料可以用水溶解,且干燥后可重新成型,是生物涂料的理想选择6 7.3.1.2 活体建筑材料混凝土是现代建筑使用最广泛的建筑材料.然而混凝土中水泥的生产会排放大量的C O2,约占全球人类活动排放量的8%.近年来有研究利用微生物诱导碳酸钙沉淀(m i c r o b i a l l yi n d u c e dc a l c i u mc a r b o n a t ep r e c i p i t a t i o n,M I C P)来开发低碳的建筑材料.例如,巴氏链球菌(S p o r o s a r c i n a)可以分泌脲酶,脲酶催化尿素降解,从而增加周围环境的p H值,使碳酸钙在细菌外沉淀聚集形成E L M s.这种E L M s可以作为混凝土中水泥的替代品,并已被用于修复混凝土内部的裂缝 图4(a)6 8.除催化尿素水解外,其他微生物代谢过057第5期任 磊等:工程活体材料的环境应用h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n程也可以增加环境p H值并诱导碳酸盐矿物形成.例如,蓝藻吸收周围环境中的碳酸氢盐和C O2用于光合作用,这一过程可以增加局部p H值,从而诱导碳酸钙沉淀7 1.基于此,H e v e r a n等6 8制备了含有蓝藻、明胶和沙子的建筑E L M s.这些活体建筑材料在获得新的生物基质和营养物质后,可以自我再生,大大降低了碳排放.利用菌丝体和生物质也可以构建活体的生物砖7 2,这种生物砖可以对外界环境进行传感,感知外界的危险环境.菌丝体可以利用废弃的秸秆等生物质进行培养,大大降低了其生产成本,是一种理想的活体建筑材料.3.1.3 纺织品与染料生物体已经生产了大量的材料用于制作纺织品和染料.来自植物的天然色素(如靛蓝)一直是主要的衣物染料7 3.同样,动物皮革独特的质地和高耐用性,使其一直是衣物的主要材料.然而,生产皮革需要饲养动物,这会在一定程度上增加碳排放,同时在皮革加工过程中也会产生大量有毒化合物.科学家们一直在探索使用纯化的蛋白质、动物细胞培养物和微生物来制作人造皮革材料.动物皮中的胶原蛋白是制造人造皮革的理想材料,然而使用传统方法分离动物毛皮获取胶原蛋白的成本太高,通过工程微生物生产胶原蛋白是一种理想的方式.W e r t e n等7 4将型胶原蛋白基因导入酿酒酵母进行重组表达,该工程酵母可以外泌型胶原蛋白.A b d a l i等7 5利用大肠杆菌的型外泌途径成功将细菌胶原蛋白进行外泌表达.通过微生物生产胶原蛋白的优势在于可以大幅降低生产成本,同时对环境危害更低.2 0 2 0年以来,真菌菌丝体材料作为砖块、包装和动物皮革等材料的替代品引起了广泛关注.真菌的菌丝体由分支的、相互连接的菌丝组成,表现出类似于石油基聚合物的特性7 6.菌丝体具有优异的机械性能,生长速度快,可以在几周到一个月内生产出足够多的菌丝体材料.同时,菌丝体也可以用农业废料进行培养,大大降低其生产成本.G a n t e n b e i n等5 5利用灵芝(G a n o d e r m al u c i d u m)的菌丝体制备了一种E L M s,将其用作机器人的皮肤外壳.大多数生物来源的纺织品,无论是动物来源还是植物来源,都需要用染料进行染色;但是大多数染料来源于有毒化学品,过量使用会造成巨大的环境负担.自然界中的植物和昆虫虽然提供了大量环保染料,但是其提取和纯化的成本仍然很高.随着基因组测序成本的下降,识别生物色素相关的基因序列变得更容易7 3.将这些与色素生产相关的酶和蛋白质转移到微生物中,可以将微生物变成生产色素分子的生物工厂.H s u等7 7将葡萄糖基转移酶引入大肠杆菌用于生产靛蓝染料.这种染料的生产过程不会造成环境污染,同时相比于传统生产方式可以减少9 0%的碳排放,从而更好地促进“碳中和”,保护环境.3.1.4 人工光合作用光合作用是指绿色植物利用光能将C O2和水合成有机物并释放氧气的过程.但是绿色植物光合作用的目的是为了获取生命活动所需的能源,而不是为了生产人类所需的化学品.因此,如何利用微生物获取所需的化学品是需要攻克的问题7 8.半导体材料具有出色的光捕获能力,可以在光照条件下产生电子-空穴对.将半导体材料与微生物进行杂化可以使微生物利用光能产生人们所需的化学品,这个过程被称为人工光合作用.其中,半导体材料可以吸收并储存阳光中的能量,同时微生物利用这些能量进行化学品的生产.已经有一些研究证明了人工光合作用的可行性.例如:W a n g等6 9将C d S纳米颗粒沉积在大肠杆菌生物被膜表面来创建生物半导体杂合体.由光照C d S产生的还原H 可以进入微生物代谢途径,因此可以通过光照促进甲酸的生产 图4(b).这种半导体-细菌生物杂化体可以实现很高的光能到化学能的转化效率(量子产率为1 3.8%).J i等7 9通过将合成的C d S纳米颗粒静电吸附在乙酸梭菌(C l o s t r i d i u ma c e t i c u m)的表面,构建了类似的杂化系统,用于光催化生产乙酸.尽管利用自然界的细菌进行人工光合作用取得了 很 好 的 发 展,但 是 大 部 分 细 菌 如 醋 酸 杆 菌(A c e t o b a c t e r i u mb a l c h)难以进行基因工程改造,因此无法调整人工光合系统的最终化学品.通过合成生物学技术可以对微生物(如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母等)的代谢通路进行重编程,获得更多更有价值的产品.G u o等8 0利用合成生物学技术重编程酿酒酵母的代谢途径,使其在代谢过程中产生小分子药物莽草酸;同时将具有光催化能力的I n P量子点静电吸附到酵母表面,光照条件下I n P可以产生电子再生细胞内的氧化还原辅因子,从而促进酵母的代谢活动来生产莽草酸.然而目前的人工光合系统在长期的催化过程中,面临细菌活力下降甚至死亡的问题,难以保证长期的催化活性,因此如何实现长期高效的催化活性仍然是需要解决的问题.3.1.5 生物发电许多电活性微生物可以分解有机物以产生电子并将其转移到外部的电子受体上8 1.利用这种将化学157厦门大学学报(自然科学版)2 0 2 3年h t t p:j x m u.x m u.e d u.c n能转化为电能的方法,可将微生物降解有机污染物用作微生物燃料电池,从而缓解电力短缺的问题.希瓦氏菌(S h e w a n e l l a o n e i d e n s i s)MR-1是目前研究最多的电活性细菌.在微生物燃料电池中,微生物通过细胞外基质将电子转移到电极上,但是天然