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          4. 【深圳晚報】深晚報道|科幻有望成為現實 科學家研發能自我修復的活體材料

              

              12 月 22 日,中國科學院深圳先進技術研究院合成所、深圳合成院戴卓君課題組與集成所劉志遠課題組合作的最新研究成果發表于 Nature Chemical biology。研究團隊針對活體功能材料這一領域,提出了一種全新的可快速修復的活體材料構建思路,并進一步將這種思路轉化成一種普適的活體材料組合方法,將其推廣應用于智能制造及可穿戴設備的組裝等全新的應用領域。該成果是研究團隊在合成生物學領域融合生物技術(BT)與信息技術(IT)的一次新嘗試。

              生物活體材料實現強大的自修復能力 

              合成生物學的快速發展使得利用智能生物活體材料實現自修復過程成為可能。傳統的活體材料提出依靠微生物的生長繁殖實現自修復,這一過程往往需要花費數十小時甚至幾天的時間,這樣漫長的修復時間極大地限制了其應用場景。對此,研究團隊從修復原理上另辟蹊徑,找到了一種能極大縮短材料修復時間的方法。

              

               ▲ LAMBA 材料的局部示意圖,圖中紅色和藍色卡通形象分別表示表面展示有抗原和納米抗體的兩種工程菌,通過抗原 - 抗體的快速結合實現 LAMBA 材料的超強修復能力。來源:深圳先進院合成所。

              抗原和抗體分子在結構上有一定的互補性(依靠分子間作用力形成非共價結合),使得它們在極短的時間內就可以發生特異的相互作用而穩定的結合起來。這種結合力在外力破壞后可以迅速還原,即實現快速修復?;谶@一原理,團隊分別構建了表面展示有抗原和納米抗體的兩種工程菌株,之后,再以一定比例將兩種菌株混合,通過抗原 - 抗體間的快速相互作用,制備出了穩定的具有高效自修復能力的 LAMBA 前體材料。

              由于 LAMBA 前體材料性質與水凝膠相近,因此,結合傳統的材料加工工藝(如 3D 打印、微流控等)就可以將 LAMBA 材料自由地加工成形態、性能各異的材料。

              " 可編程 " 活體材料讓設備更智能 

               合格的自修復材料還應該是智能的,生物活體材料最大的優勢之一就在于微生物強大的可編程能力,因此,研究團隊也從兩方面對此進行了探究。

              一方面,通過在兩種工程細菌表面展示酶和納米催化劑,然后將其制成 LAMBA 材料,最終成功將農藥的主要成分對氧磷降解為低毒害的對氨基苯酚。

              另一方面,在一種細菌表面展示淀粉水解酶而在另一種細菌胞內表達海藻糖合成酶,這樣,淀粉先被淀粉水解酶轉化為麥芽糖,然后麥芽糖作為底物再被運輸到另一種工程菌胞內被海藻糖合酶轉化為海藻糖。

              LAMBA 材料具備的超強自修復能力以及智能編程能力啟發研究團隊進一步探究其在可穿戴設備和生物傳感器上的應用。

              

              ▲傳統生物活體自修復材料(靠生長繁殖)和 LAMBA 自修復材料(靠抗原抗體快速作用修復)修復速度比較圖。左上是傳統生物活體材料斷裂的示意圖,右上是修復過程,左下是 LAMBA 材料斷裂的示意圖,右下是修復過程的示意圖。 來源:深圳先進院合成所。

              可穿戴設備能通過檢測人體基本生理信號達到日常健康檢測、輔助康復治療等效果,良好的拉伸性能和導電性能是其正常運行的前提。經測驗,即使經過反復循環拉伸,LAMBA 材料的導電性能依然能維持穩定。且遭破壞后,LAMBA 材料可在段時間內快速修復至原有性能。

              人體的神經肌肉活動均伴隨著電生理信號的產生,電生理傳感器可用于不同頻率神經肌肉電生理信號的捕捉。對肌肉電信號的準確獲取,一方面可以用于評估肌肉的健康狀態,另一方面也可以用于計算評估人體瞬時的動作意圖,進而去控制外部設備,如假肢和外骨骼等。實驗結果顯示,柔性 LAMBA 電生理傳感器可以準確捕捉到肌肉電信號,并且相比于相同方法制備的單菌或金薄膜傳感器顯示了更好的信噪比。

              另一方面,作為柔性材料,LAMBA 在應變傳感器的制備中也具有顯著優勢,與金薄膜制成的傳感器相比,柔性 LAMBA 應變傳感器能更加均勻的反應形變程度。

              BT 與 IT 在合成生物學里 " 碰撞 " 出無限可能 

              總的來說,研究團隊發明了一種具有快速自我修復能力的活體材料,這種材料卓越的性能,使得其在諸多領域都有著極大的應用前景。IT 技術與 BT 技術是影響人類未來發展的兩大技術,一直以來科學界與產業界對兩個領域相互融合、交叉研究的呼聲高漲。未來,這種創新的 "BT+IT" 協同制造模式必將帶來一次大的技術革新。

              

              ▲ LAMBA 材料具備優異的拉伸性能,非常適合可穿戴設備或衣物的制造。來源:深圳先進院合成所。

              " 我們希望通過該研究建立一種活體材料組裝的新方法,在活體生物可編程的基礎上,通過引入高分子物理及化學合成中的理論賦予微生物新的特性,使組裝的材料具有快速自愈合的特性,并初步嘗試了 IT 與 BT 的融合,我們也在推進其他相關的各項有趣研究,期待并相信合成生物可以帶來無限可能。" 通訊作者戴卓君表示。

              中國科學院院士,上海交通大學教授樊春海表示,這個工作在活體材料的設計與編輯中跨出了一大步。尤其是將高分子物理及化學中利用動態非共價鍵介導的快速自愈合這一創新的設計思路來武裝細菌,將在高分子學科中積累的經典體系跨學科的引入合成生物學,這也提示我們在未來的活體材料設計中可以學習和借鑒其他材料科學的優秀體系。

              中國科學院院士、中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所首席科學家趙國屏表示該成果聚焦在活體功能材料領域,挑戰了活體材料分鐘內自愈這個單純依靠細胞分裂無法實現的難題。解決這個問題的靈感來源于動態非共價鍵形成快速自愈合的理論,利用細菌表面安裝可粘合的抗原 - 抗體的性質,開發了一種可快速組裝自愈的功能材料,實現了全新的可編程材料模式。尤其值得一提的是,該工作進一步將活體材料與多種可穿戴器件組裝在一起,如肌肉電信號傳感器以及應變傳感器,突破了生命體與非生命器件的界限,拓展了活體材料的構建框架和應用領域,這是化學生物學及生物技術與材料科學和工程科學學科交叉 " 會聚 " 研究的一個范例。

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