科學(xué)家使用基因改良細(xì)菌建造新材料

加入aTc后，大腸桿菌產(chǎn)生了纖維。圖片來源：K. SUTLIFF/SCIENCE

生物是名副其實(shí)的建筑大師。螃蟹能裝配貝殼，珊瑚能積累礁石，人體組織能建造骨骼。現(xiàn)在，合成生物學(xué)家可以控制整個建造過程。來自美國馬薩諸塞州的研究人員近日在《自然—材料學(xué)》期刊上宣布，他們重組了細(xì)菌的基因回路，以建造電子和光學(xué)材料，以及它們內(nèi)部的活細(xì)胞。

新材料雖然無法與傳統(tǒng)的電子器件一較高下。不過，外部研究人員表示，該功績提供了最小限度的幫助，為徹底使用基因工程改良的生物體建造復(fù)合材料打開了一扇新大門?！斑@是一個極為出色的研究?！蔽磪⑴c該研究的北卡羅來納州達(dá)拉謨市杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Lingchong You說。

傳統(tǒng)制造業(yè)主要為能源密集型產(chǎn)業(yè)，通常具有污染性且對工人有害。“假如我們能夠駕馭細(xì)胞的力量（建造結(jié)構(gòu)），我們就能使得整個過程‘變綠’?！盰ou說。此外，由于生物體在諸多不同尺度下都能夠建造材料，例如人類身體骨骼結(jié)構(gòu)分別有納米級、微尺度和米級，這項新研究將可能為工程材料添加新的復(fù)雜性。

該研究并非首個嘗試將工程改良生物體與材料相結(jié)合的研究。例如，1999年，目前供職于麻省理工學(xué)院（MIT）的Angela Belcher及其同事，改造了病毒，以裝配半導(dǎo)體納米粒子。之后，Belcher研究小組轉(zhuǎn)而設(shè)計病毒建造從鋰電池和光伏電板電極，到能分解水產(chǎn)生氫燃料的催化劑等各種材料。

但由于病毒不具備自己的細(xì)胞機(jī)器，他們制造的這些材料不是活的。這也就意味著，它們無法像細(xì)菌那樣響應(yīng)外部環(huán)境。

MIT合成生物學(xué)家Timothy Lu及其同事進(jìn)行的新研究將之前一些迥然不同的領(lǐng)域結(jié)合在一起?！拔覀兊南敕ㄊ菍⑸澜绾蜔o生命世界結(jié)合在一起制作混合材料，這些材料具有活的細(xì)胞以及功能性?！盠u說。

他們選擇從大腸桿菌入手，這種細(xì)菌能自然合作生產(chǎn)不同表面頂端的薄片狀生物膜。這種細(xì)菌能通過分泌一種名為卷曲菌毛纖維的蛋白質(zhì)將這些薄膜束縛在一起。由名為CsgA的蛋白亞基重疊組成的這種纖維能將這種細(xì)菌彼此黏合及附著到表面。

在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，該研究小組首先破壞了允許大腸桿菌細(xì)胞制造CsgA的遺傳途徑。取而代之的是一種經(jīng)改造的遺傳回路，只有當(dāng)研究人員添加化學(xué)觸發(fā)劑（一種AHL分子）時，該細(xì)菌才能產(chǎn)生CsgA。

然后，Lu等人設(shè)計了一批不同的大腸桿菌，這些細(xì)菌能產(chǎn)生蛋白質(zhì)鏈或氨基酸較短的CsgA，并包含多重能束縛金屬粒子的組氨酸氨基酸。而這些細(xì)菌只有在響應(yīng)其他化學(xué)觸發(fā)物（aTc）時才會表達(dá)組氨酸標(biāo)識的CsgA。當(dāng)aTc被加入后，大腸桿菌沉入一片薄膜，并抓住研究人員撒入燒杯的金納米粒子，然后創(chuàng)建一個能導(dǎo)電的網(wǎng)絡(luò)。

該研究小組同時培養(yǎng)了兩批大腸桿菌，以便通過在不同時間添加AHL和aTc改變薄膜的構(gòu)成。在這種情況下，變化的合成物雖沒有添加新功能，但為綁定其他材料奠定了基礎(chǔ)。在一個單獨(dú)實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用不同的縮氨酸和化學(xué)觸發(fā)劑制作了能誘捕名為量子點(diǎn)的微小半導(dǎo)體粒子的細(xì)菌，原因在于其生物膜的光學(xué)性質(zhì)被改變。

現(xiàn)在，Lu希望能利用合成生物學(xué)的最新進(jìn)展，在這些研究中，研究人員編程細(xì)菌形成環(huán)形、柵欄和其他形狀的“殖民地”。這能夠?yàn)楦鼜?fù)雜的體系結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)，這些結(jié)構(gòu)可以充當(dāng)電極、環(huán)境傳感器和人造組織。最終，這些活著的材料可以制成設(shè)備，當(dāng)損壞時能夠自我修復(fù)。

另外，該技術(shù)也能被用于吸收鎘等環(huán)境毒素，以及將材料重新用于復(fù)雜的光學(xué)和有機(jī)設(shè)備。它甚至在礦藏勘探中也有用途：例如，專門設(shè)計的細(xì)菌能從環(huán)境中收集黃金。但是，這些實(shí)驗(yàn)仍有很長的路要走。監(jiān)管者還需要確信，進(jìn)行基因改造的細(xì)菌在釋放到環(huán)境中后不會造成風(fēng)險。（來源：中國科學(xué)報 張章）