[青島能源所]科學(xué)家設計出新型“活材料”
生物膜、貝殼、骨骼組織等天然生物系統，能根據環(huán)境信號形成多功能、多尺度的生物與非生物成分集合體，比如骨骼，就是由礦物質(zhì)、活細胞及其他物質(zhì)組成的矩陣。
來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們受這些天然材料的啟發(fā)，合成出包含生物成分和非生物成分的活性生物材料。其中的活細胞能對環(huán)境起反應，產(chǎn)生復雜的生物分子，非生物材料能導電或發(fā)光。相關(guān)研究論文刊登在了《自然-材料學(xué)》（Nature Materials）雜志上。
研究人員通過(guò)給細胞編程，“誘騙”細菌細胞產(chǎn)生生物膜，這種生物膜能和金納米粒子、量子點(diǎn)結合在一起。實(shí)驗所用的細菌是大腸桿菌。這種細菌能產(chǎn)生生物膜，生物膜中含有一種叫做“螺旋纖維”的淀粉蛋白，幫大腸桿菌附著(zhù)在物體表面。每根淀粉纖維都是由相同的亞單位 CsgA 不斷重復構成的蛋白鏈， CsgA 上還可以附加肽（蛋白質(zhì)片段），這些肽能捕捉非生物材料，如金納米粒子。
研究人員利用誘導基因線(xiàn)路和細胞通訊線(xiàn)路，讓細菌能在特定條件下產(chǎn)生不同類(lèi)型的螺旋纖維，控制生物膜的性質(zhì)，造出金納米線(xiàn)、傳導生物膜、量子點(diǎn)生物膜、具有量子力學(xué)性質(zhì)的微晶體等。
他們先讓細菌細胞喪失自然產(chǎn)生 CsgA 的能力，然后用一種只能在特定條件下，比如在有 AHL 分子的條件下，才能產(chǎn)生 CsgA 的轉基因線(xiàn)路來(lái)代替，這樣調節細胞環(huán)境中的 AHL 數量就能控制螺旋纖維的產(chǎn)生。
然后，他們改變大腸桿菌細胞，讓它們能在有 aTc 分子時(shí)產(chǎn)生附加了肽的 CsgA ，這些肽構成了組氨酸。這兩種轉基因細胞能在一個(gè)群體中生長(cháng)，改變 AHL 和 aTc 數量，就能控制生物膜的組成成分。兩種分子同時(shí)存在時(shí)，生物膜中包含了加組氨酸和不加組氨酸的 CsgA 鏈兩種成分。如果加入金納米粒子，附加組氨酸就能“抓住”它們，形成一行行的金納米線(xiàn)和能導電的網(wǎng)絡(luò )。
要在螺旋纖維中添加量子點(diǎn)，研究人員會(huì )改變細胞，讓它們能產(chǎn)生附有SpyTag的螺旋纖維，而在量子點(diǎn)上涂一層 SpyCatcher（SpyTag 伴侶），它們就會(huì )結合在一起。這些細胞還能和產(chǎn)生組氨酸纖維的細菌一起生長(cháng)，這樣材料中就能同時(shí)含有量子點(diǎn)和金納米粒子。
研究人員指出，目前這種“活材料”只是簡(jiǎn)單示范。它們在未來(lái)能源領(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用，如蓄電池、太陽(yáng)能電池，還能給生物膜涂上一層酶，催化分解纖維素，把農業(yè)廢棄物轉變?yōu)樯锶剂希渌麧撛趹眠€有診療設備、組織工程支架等。
