中科院深圳先进院钟超等人综述工程活材料与可持续发展

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所钟超研究员及合作者在国际知名学术期刊 Chemical Reviews 在线发表特邀综述文章：Engineered Living Materials For Sustainability。 文章在讨论新兴工程活材料领域重要进展和未来挑战的同时，对该类材料如何加强可持续发展提出了新的观点和思考。

近年来，合成生物学与材料科学领域的交叉发展衍生了一种新的材料形式，即工程活材料，又称活材料，其由生物细胞嵌入自身所分泌的胞外基质或人工材料支架所组成。与骨骼、木材和皮肤等天然材料一样，工程活材料拥有活细胞的各种动态特征，即能够按需所取的自我生长、自我组织和自我修复（图1）。它们也会在感知外部环境信号时执行基因信息所预先编程的生物功能，具备显著的刺激响应性，这是很多传统合成材料所不具备的能力。目前，工程活材料在绿色能源生产、环境修复、疾病治疗和制造先进智能材料方面表现出可观的发展前景（图1）。

在这篇综述中，作者们首先介绍了微生物、植物、动物等天然系统的生命动态特征及开发新材料的潜力。文章继而从合成生物学和材料科学两个角度系统的总结了活材料的工程设计策略以及最新研究进展。文章最后讨论了工程活材料对促进可持续性的积极影响，并提出未来的关键研究方向。

深圳先进院合成生物学研究所材料合成生物学研究中心钟超研究员、戴卓君研究员、易啸研究员以及哈佛大学Tzu-Chieh Tang（唐子杰）博士为本文的共同通讯作者。合成所材料中心博士后安柏霖、博士后王艳怡以及黄园园助理研究员为共同第一作者，合成所材料中心副研究员王新宇、科研助理刘雨竹、博士研究生寻东民以及哈佛大学George M Church教授对本文撰写也做出重要贡献。

图1.工程活材料集成了生命的各种动态特征，如生物合成、自我生长、自我组织、自我修复和感知与响应环境等。工程活材料现已扩展到各种可持续应用，包括绿色能源的生物生产、污染物的生物修复、生物砖的制作以及作为医疗材料用于检测和治疗慢性疾病等。

人口增长和工业化造成的全球污染已成为当今世界所面对的核心问题之一。对可持续发展的需求使人类对能源和材料的绿色制造的兴趣正在日益增加。亿万年的自然选择使每种生命系统进化出高效独特的生物合成机器，这些生命体可以自主生产、代谢以及回收生物质。利用天然生命系统合成特定生物质有望创造清洁能源和可生物降解的材料，减少全球环境污染。

随着技术进步，人类获取和使用生物质的方式也在不断升级。尽管从自然界提取所需生物质的方式简单直接，然而对于低天然产量的部分材料物质（如提取每克贻贝粘性蛋白需消耗10000只贻贝），庞大的生产成本限制了其经济可行性。自20世纪70年代以来，迅猛发展的基因工程技术为开发转基因生命生产增值生物质提供了无限可能。在这一时期，各种各样天然代谢途径被引入到细菌、真菌、植物、昆虫以及动物细胞中异源发酵，合成出诸如青蒿素、胰岛素、病毒抗体等治疗药物以及反射蛋白、足丝粘蛋白、蛛丝蛋白等功能蛋白材料等，实现了稀缺生物质的大规模生产制造。

在基因工程技术的基础上，21世纪初新兴的合成生物技术融合了模块化、标准化和特征化/抽象化等工程技术原理，以类似计算机程序编程的方式理性设计生命系统，极大提高了人类对合成生命的操纵能力。例如，人工设计的基因线路能够赋予宿主细胞感知外部特定环境信号如光照、温度以及电流等的能力。这些信息输入细胞后进一步转换为生理信号，并由合成基因元件（例如放大、振荡和布尔逻辑计算等）进一步处理，最终驱动细胞执行用户定义的、程序编程的生命行为（如细胞分化、细胞迁移或生物合成等）。

以这些重新编程设计的合成细胞作为生产生物质的底盘宿主，人类有能力精准操纵生命体在特定地点、特定时间生产出特定的功能物质，实现材料的智能化（按需所取）合成与应用。基于此，以活细胞作为主要组分的工程活材料蓬勃发展，这些活材料为人类利用基因工程改造生命体实现可持续应用创造了新的机会。

与传统的由天然提取或异源发酵所得到的生物质所制作的生物材料不同，活材料由嵌入在基质中的活细胞或群落所组成，故而该材料具备独特的生命动态属性。利用合成生物技术重新编程生命的遗传信息，能够以 “自下而上”的方式理性设计功能可定制的活材料（图2）。比如通过对细菌生物被膜蛋白与海洋粘性蛋白的基因重组，研究者开发出基于生物被膜的活胶水材料，而将人工设计的重金属感知基因线路植入活细菌生物被膜的合成途径，研究者工程制作出可智能感知污染并自主进行环境修复的自组织活材料。

图2.用于工程设计自组织活材料的合成生物学策略：定制材料基因模块；整合基因传感线路；设计同种群细胞或跨物种的细胞通信系统。

材料科学家也在利用“自上而下”的方法来生产包含活细胞以及非生命组分的杂合活材料。非生命成分，如水凝胶、微胶囊、导电聚合物、量子点、电子器件等可用于保护脆弱的生命细胞免受外界环境破坏，或者作为辅助成分强化活材料的某种性能（如电子传递、光电转换、信号传输等）（图3）。各种制造和加工技术（如3D打印、静电纺丝和微流控技术等）也被应用到活材料的开发制作中，实现了活材料尺寸以及形状的可定制化，显著增强了活材料的实用性。

图3.工程杂合活材料的示意图。细菌、酵母、植物和哺乳动物细胞等生命系统可以与非生命成分（如聚合物水凝胶、半导体和无机矿物等）整合，使用先进的制造技术（如3D打印）生产杂合活材料。

工程活材料以多种方式促进可持续性。由生命系统制造的材料可以取代由石油和其他高碳和高污染排放源制造的合成材料，这样的替代策略有效地减少了对温室气体的排放以及人类对石油基前体的依赖。使用活材料，人类可以直接将CO2转化为有价值的化学品，主动地从大气中清除CO2，产生负碳排放。因此，利用生物体生产材料可以促进可持续性，减少导致气候变化的负面环境影响。从绿色能源生产、污染物环境修复、先进医疗材料开发到生产制作生物塑料、生物皮革、人造肉、颜料染料、环保生物砖、活性种子包衣、食品涂层等，工程活材料可被应用到人类生活中的方方面面，促进社会的可持续发展（图4）。

图4.活材料生产系统涉及人类日常生活的许多方面。工程化的微生物、植物和动物细胞生产的材料应用广泛，包括生物塑料、生物皮革和纺织品、动物产品替代品、生物修复和负排放、食品涂层、种子包衣、建筑材料以及染料和颜料等。

然而目前活材料的推广应用也存在一些困难与挑战，比如细胞生长缓慢、材料物质产量低、强度弱、不耐用以及潜在的生物危害或者公众接受困难、监管障碍等问题。故而，在工程活材料领域，未来的研究可重点关注：

1）借助高通量自动化设施筛选底盘细胞与高效代谢途径；

2）利用定向进化优化生物质材料性能；

3）通过人工智能辅助材料设计；

4）工程自养生物或者使用廉价易获得的营养源培育活材料；

5）提高细胞耐受性，延长活材料工作寿命；

6）推进生命个体或种群之间以及生命与非生命功能组分的分工协作，提高生产与应用效率；

7）重视生物安全容器设计，加强活材料的生物安全管理；

8）完善活材料应用的相关法规，为合成生物学和工程活材料建立明确的行业标准等方面。

总结：受自然界中生命体动态行为的启发，研究人员开发了兼具生物合成与环境响应能力的工程活材料，满足社会对可持续发展的需求（图5）。作为活材料的重要组成部分，活细胞为材料产品赋予了诸如自我修复、自我再生、自我组装等生命动态行为。尤其是生命遗传物质的可编程性使人类可通过简单地改写基因信息灵活的操纵材料的合成过程，这使活材料拥有了传统惰性材料所欠缺的刺激响应性。尽管面临许多挑战，活材料能够减少环境污染、提高作物产量和产生负碳排放，在可持续发展方面依然显示出良好的应用前景。随着未来技术的进步，工程活材料将会在健康、能源、农业、工业和节能基础设施等方面中发挥出更加重要的作用。

图5.类似于种子成长为大树并开花结果，工程活材料可通过基因编程的细胞自我生长所得。收获的活材料（各式各样的日用产品）可直接进入人类生活，提高社会的可持续性。

该文章是继钟超研究员与Timothy K Lu教授于2020年提出以工程活材料为重点的材料合成生物学（Nature Reviews Materials 6.4 (2021): 332-350）研究范畴后,该团队对活材料环保可持续性的进一步讨论。工作获得了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金联合项目，深圳先进技术研究院启动资金、中国博士后科学基金及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。