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麻省理工学院海归发明“活”材料,能自我修复,可用于软骨修复和癌症诊疗 | 专访
今日推荐:2020年12月30日 张硕 DeepTech深科技

“在不久的将来,人们再谈起‘材料’两个字的时候,联想到的将不只是冷冰冰的金属或轻飘飘的塑料,而是有生命特征的‘活的’材料!” 麻省理工学院(MIT)海归博士后、现为中国科学院深圳先进技术研究院研究员的钟超说道。

有了这些材料,可以让小树苗在短短几个月时间里长成一棵参天大树;可以让特制的益生细菌进入人体的肠道,有针对性地对抗癌症,治疗炎症出血,调节菌群平衡;还可以在寸草不生的火星上进行人工光合作用,保障移民的生存……

这就是近年来材料合成生物学领域涌现的一个全新方向 —— 活体功能材料,由钟超参与提出并大力推广。

图 | 钟超

钟超告诉 DeepTech,其实这一研究方向的很多灵感,来自于自然的生物材料体系。

在自然界中,很多生物材料都是活细胞参与构筑的复合材料,一个典型的例子就是人体骨骼,经过生物矿化过程形成多级的复合结构,并具备一系列优异的理化性质和 “活体” 特征:轻质坚硬,耐久性好,以及能够自我进化、自我修复、对环境做出响应等。

为了模拟类似骨骼的多级复合生物材料,仿生矿化领域的研究人员过去做了很多工作,但基本都是单纯从化学或材料角度出发,以生物分子(蛋白质、多糖)框架作为模板结构引导生物矿化的发生,而很多自然的生物矿化体系的形成都与细胞深度参与密不可分,所以最终制备出的无机材料的性能仍然无法与具备 “活体” 特征的自然材料相媲美。

此时的材料学亟需引入全新的研究范式,来破解当下的发展瓶颈。出身材料学,又经过海外名校合成生物学滋养的钟超开创性地将合成生物学与材料科学相结合,通过合成生物学、基因编程的手段来改造生命体,让生命体特有的 “活体” 特征与合成材料的特定性能完美结合,从而超越传统材料制备出可响应外界环境变化、可自愈合,并具备 “智能” 等全新特征的复合材料。

但是,到底如何利用工程改造的细胞来合成具有 “活体” 特征的复合矿化材料呢?

关于这一困扰业内多时的难题,钟超团队及合作者经过 4 年多的探索,再次抢先给出了新的解决方案 —— 他们提出了一种能够实现可调控仿生矿化的新思路,即利用细菌去感知环境和分泌生物分子的能力,通过对大肠杆菌生物被膜进行工程改造,使用 “两步法” 即可制备出形状、厚度、密度和机械性能可调控的活体 —— 矿物质复合材料。据他介绍,这种活体梯度复合材料的制备方式可给未来骨损伤修复提供很好的研究基础。相关论文以《通过光诱导生物被膜的梯度矿化制备的生物材料》 (Living materials fabricated via gradient mineralization of light-inducible biofilms) 为题,发表在 Nature Chemical Biology 杂志上。

图 | 相关论文(来源:Nature Chemical Biology

据悉钟超教授是该论文唯一通讯作者,南京大学曹毅课题组以及上海科技大学于奕课题组参与协作完成。此项研究还得到了国家科技部重点研发计划合成生物学专项、国家自然科学基金联合重点基金、上海市科委基础重点项目合成生物学专项以及中国博士后科学基金等项目的支持。

“两步法” 制备类人体软骨的活体复合材料

这项工作中,钟超团队主要利用蓝光光控诱导的大肠杆菌生物被膜这一平台,改造后的细菌可以感受外界蓝光启动融合蛋白的表达,产生的生物被膜能进一步矿化形成复合材料。由于生物被膜被本身具有粘性,形成的复合材料会黏附到基底上。

因此,研究人员提出一种两步法制备能形成任意图案的复合材料:(1)借助投影仪将绘制的蓝色图案从正上方投影到加了培养液的培养皿底,经培养后可获得完美复刻投影图案的生物被膜;(2)将培养液替换成 1.5 倍的模拟体液,经矿化过程后可获得同样图案的复合材料。

值得一提的是,基于羟基磷灰石的良好生物相容性,制备得到的复合材料中 74% 的细菌依然是活性状态,这对该材料的后续应用具有非常重要的意义。羟基磷灰石为细菌提供了保护性的外壳,存活的细菌保留着感受外界信号并作出应答的能力,可以继续发挥人为赋予的功能。    

图 | 通过投影不同蓝色图案得到精确的图案化活体复合材料

除在空间位置上的精准调控,自然界中矿物组织的演变还存在很多其他形式的调控,比如矿化程度的调控,其中一种有趣的现象就是无机物的梯度沉积。比如人的关节软骨浅层到软骨下骨矿化程度呈现出明显的梯度,因此力学性能也呈现特殊的梯度分布。

为制备出类似的梯度矿物组织,钟超团队首先提出了蓝光强度与重组蛋白表达量在一定范围内具有正相关关系的假说,并通过实验进行了验证。接着通过设计一个蓝光强度呈梯度变化的图案,经两步法后成功制备了具有类似人体关节软骨的密度梯度、力学性能梯度的活体复合材料。

图 | 光控制备梯度活体复合材料

最后,研究人员结合生物被膜的粘性特征以及蓝光对于空间分布的准确控制,利用粘性生物被膜固定聚苯乙烯(Polystyrene,缩写 PS)小球填料实现了定点裂缝填补,再通过矿化作用沉积羟基磷灰石对裂缝进一步填充,从而完成裂缝修复并提高力学强度。

图 | 应用可光控的复合材料定点修复裂缝

总的来说,该研究提出了一种利用光响应型大肠杆菌生物被膜可控制备活体复合材料的新方法,通过设置不同蓝光图案可以精准控制复合材料的形状,以及设置梯度蓝光强度可以制备梯度密度和梯度机械强度的活体复合材料,为制备具有精细结构、动态响应和环境适应性的活体复合材料提供了新的途径。

在此平台的基础上可通过基因改造以满足不同需求,一方面,可以对细胞进行编程以感应其他环境信号如 pH 值变化和温度变化等;另一方面,可以对细胞进行工程改造以展示其他功能肽段 / 蛋白质,以实现多种矿物质沉积。

对于以上研究,钟超表示:“这项研究提供了一种利用工程细胞合成活体复合材料的新方法,为合成具有‘活体’特征的矿化复合材料打开了一扇门,为将来构筑更复杂精巧的活体功能材料提供了启示。例如,我们在这项研究中证明矿化的活体材料能够填充并修复表面损坏的凹槽缺陷。结合当前合成生物学技术的蓬勃发展,各类基因元件和响应不同环境信号的调控基因环路(时空调控、温度调控、化学或生物分子调控)正在被逐步开发出来,未来我们将充分利用这些工具,来构建环境响应、智能和多用途的活体功能材料。”

利用合成生物学技术推进新材料的发展

钟超告诉 DeepTech,当前其团队的主要研究领域是材料合成生物学这一新兴领域。而近几年开展的研究大部分都是围绕活体功能材料展开。 

他们取得的原创性研究成果,得到了国际同行的高度关注和认可,相关评论报道刊登在 Science 上。在 2019 年,受 Nature Chemical Biology 编辑的邀请,钟超为该杂志撰写了题为 Spores hit the spot 的评论论文,对麻省理工学院 Christopher Voigt 教授课题组发表的文章进行评述。

那么材料学出身的钟超是如何一步一步走到合成生物学与材料科学交叉的 “十字路口”,并提出活体功能材料的研究方向呢?

据钟超介绍,他本科就读于天津大学,专业为材料科学,2001 年本科毕业后,他来到北京化工大学攻读硕士,开始从事高分子材料的研究,后又申请到美国康奈尔大学攻读博士并于 2009 年毕业。 

“正是在博士期间,我学习了生物仿生材料,特别是利用仿生矿化的方法来制备各种有机无机复合材料,这为我日后的工作打下了基础。” 钟超表示。

他逐渐认识到,当时这一领域里的很多研究范式是从化学和材料角度进行仿生,而很多自然的生物矿化体系的形成(例如我们的人体骨骼,由羟基磷灰石、胶原蛋白以及一些其他分子构成的非常精妙的复合材料)和细胞深度调节的矿化作用参与息息相关。

“我当时觉得那样的研究范式不能解决领域中的诸多难题。” 所以在博士后期间,他特别地选择加入麻省理工学院合成生物学中心 Timothy K. Lu 教授课题组,在此期间的科研训练让他对利用合成生物学技术改造细胞有了更深的兴趣。

 2014 年 7 月,钟超回国正式加入上海科技大学物质学院组建生物灵感分子工程实验室,担任课题组长;于 2019 年 12 月晋升为学校常聘教授并担任材料与物理生物中心主任一职。

在上海科技大学,他探索出一个全新的研究领域,也就是合成生物学与材料科学交叉领域。2020 年,他加入中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所任研究员,并作为中心主任建立了全世界第一个以材料合成生物学命名的研究中心,重点推进材料合成生物学新兴领域的发展。

当前,蕴藏着巨大应用潜力的活体功能材料研究已成为材料合成生物学领域的一个热门研究方向,吸引了包括美国哈佛大学、科罗拉多大学、麻省理工学院杜克大学,英国帝国理工以及国内一些知名大学和机构的众多科研团队投身于这个新兴方向的研究。

钟超表示,从某种程度上讲,活体功能材料研究就像是一把钥匙,将进一步打开材料、生物医药、生物修复、能源甚至军事国防等诸多领域的想象空间:例如,将这种活体材料植入人体肠道,可帮助调节菌群平衡,进而能针对性地防治出血、炎症与癌症等各种疾病,此外,有了这种材料,未来如果移民外星,人类将能够迅速搭建一个细胞工厂,进行人工光合作用,把太阳能转成化学能或者其他高附加值的化学品,从而保障生存。

未来,他将继续扎根这一领域,并重点推进活体功能材料在生物医药、生物修复和生物能源领域的应用。

-End-

参考:
https://www.nature.com/articles/s41589-020-00697-z#data-availability
https://science.sciencemag.org/content/367/6480/841

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