這種3D打印的生物活性材料讓我想到了《三體》

作者：孟凡康

著名的科幻小說《三體》描述的三體世界中，三顆太陽無規(guī)則地在三體世界上升下沉，為適應(yīng)殘酷的環(huán)境，在亂紀(jì)元（日出日落無規(guī)律），三體人將自身脫水以抵御酷熱或嚴(yán)寒，然后像稻草樣堆積在倉庫里，而到了恒紀(jì)元（日出日落有規(guī)律），三體人則從脫水中恢復(fù)并正常生活。

《三體》插畫

在品味劉慈欣所描繪的殘酷的三體世界之時(shí)，我們也不禁感嘆于三體人的脫水與恢復(fù)能力。就如同無數(shù)科幻電影情節(jié)所描繪的冷凍技術(shù)一樣，我們在可以長時(shí)間或者長期不適宜居住的環(huán)境中維持生命本身的存在，而一旦環(huán)境適宜生存之時(shí)，我們可以從冷凍之中恢復(fù)。這樣的能力和技術(shù)可以使我們在更加惡劣的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，甚至可以用于維持整個(gè)文明的存在。

但科幻終究是科幻，現(xiàn)實(shí)中我們是否也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這樣的能力？在2019年12月發(fā)表在《自然·生物化學(xué)》的這篇文章就為我們展示類似于三體人的技術(shù)。來自于MIT的合成生物學(xué)研究人員利用3D打印技術(shù)和細(xì)胞孢子設(shè)計(jì)了一種新型的生物活性材料（Living Materials）。      

這種材料中包含了細(xì)菌和水凝膠，由3D打印而成。其可以向三體人一樣，在不需要其發(fā)揮作用的時(shí)候，水凝膠脫水，細(xì)菌進(jìn)行休眠的孢子狀態(tài)，從而抵抗包括強(qiáng)酸、高溫以及γ輻射等外界嚴(yán)酷的環(huán)境；而在需要其發(fā)揮作用的時(shí)候，水凝膠獲取水分，細(xì)菌就可以恢復(fù)成正常的狀態(tài)從而發(fā)揮生物傳感器、醫(yī)用治療補(bǔ)丁，甚至可以用于建筑物裂縫的修復(fù)過程。

利用3D打印將孢子嵌合進(jìn)生物材料中：脫水，長期儲存；復(fù)水，細(xì)胞恢復(fù)功能。


第一部分：生物活性材料的重要價(jià)值在哪里？
生物活性材料（Living materials），泛指包含有生物細(xì)胞的材料。實(shí)際上，這種活性材料廣泛存在于自然結(jié)構(gòu)之中，比如樹木、骨骼以及皮膚。而這些材料為整個(gè)生命系統(tǒng)提供了豐富的功能，比如能量獲取、創(chuàng)傷修復(fù)、環(huán)境感應(yīng)以及重要的生命功能執(zhí)行。自然的活性材料性能優(yōu)越，甚至可以在在各種嚴(yán)酷的環(huán)境下存在數(shù)年，甚至百萬年。

世界上最古老的樹木：Methuselah   

合成生物學(xué)家一直在嘗試設(shè)計(jì)工程化改造的生物活性材料，使其能夠?qū)⑽锢聿牧虾凸こ袒�改造的�?xì)胞結(jié)合起來，用于人類的醫(yī)療、環(huán)境、工程等等領(lǐng)域。
而其中重要的價(jià)值點(diǎn)在于，我們可以活性材料中的細(xì)胞進(jìn)行人為設(shè)計(jì)，使其可以產(chǎn)生多種功能，包括生物感應(yīng)、生產(chǎn)化學(xué)物質(zhì)、自我清潔、自我交聯(lián)、自我修復(fù)、自我供能等能力。

細(xì)菌可以被用來建造水泥和修復(fù)裂痕，生產(chǎn)包裝材料，通過響應(yīng)汗水打開通風(fēng)孔來控制紡織品的透氣性。還有就是利用生物和電子的結(jié)合，用于檢測體內(nèi)的健康情況，比如去年發(fā)表在《科學(xué)》的生物電子膠囊，可以用于檢測家畜腸道內(nèi)的健康情況。

合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的細(xì)菌與電子系統(tǒng)結(jié)合：An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health

第二部分：現(xiàn)階段活性材料的問題在那里？
第一個(gè)問題：目前這些人為設(shè)計(jì)的活性材料，無法在實(shí)驗(yàn)室外的嚴(yán)苛環(huán)境下發(fā)揮作用。在極端、不可預(yù)測的條件下，這些材料結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞無法長久維持正常的狀態(tài) 。
第二個(gè)問題：現(xiàn)階段，活性材料在一個(gè)固定的結(jié)構(gòu)中還無法有效的維持細(xì)胞的組織形態(tài)。比如我們可以讓細(xì)胞自己繁殖和生長，在宏觀范圍內(nèi)生長自己的框架（例如，樹木的生長），但是這些過程很慢，目前很難通過遺傳方法進(jìn)行控制。合成生物學(xué)家的主要的編程集中在分子和細(xì)胞層面，目前正在有擴(kuò)展到組織或者簡單細(xì)胞群體的能力，但是遠(yuǎn)不及復(fù)雜的生命體。

第三部分：如何利用孢子和3D打印來解決現(xiàn)在的問題
1. 解決無法長時(shí)間維持活細(xì)胞狀態(tài)的情況：作者采用了“孢子”解決方法。
既然普通的細(xì)胞無法在嚴(yán)酷的環(huán)境下生存下去，我們的地球的細(xì)胞中有類似于三體人的性質(zhì)嗎？答案是肯定的。類似于三體人的脫水狀態(tài)，這種能夠抵御嚴(yán)酷環(huán)境的細(xì)胞狀態(tài)叫做“孢子”。

一些細(xì)菌會通過形成內(nèi)生孢子（處于休眠狀態(tài)且堅(jiān)韌的小球形結(jié)構(gòu)）而在不利條件下存活。處于孢子狀態(tài)的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)會處于一種特殊的狀態(tài)，包括幾乎不可滲透的內(nèi)膜，生殖細(xì)胞膜，厚肽聚糖皮質(zhì)，外膜，基底層，內(nèi)涂層，外涂層和外殼。其中遺傳物質(zhì)DNA通過特殊蛋白質(zhì)緊密堆積而受到保護(hù)。

處于嚴(yán)密保護(hù)狀態(tài)的細(xì)菌孢子形態(tài)

孢子能夠在極端環(huán)境中生存，包括高溫，冷凍，氧化劑，酸和堿溶液，遺傳毒性劑，溶劑，高壓，X射線，γ射線和紫外線。它們還可以通過用二吡啶甲酸代替水并采用起皺的形式來承受滲透壓，從而在干燥中幸存下來。孢子可以無限期地休眠，據(jù)稱可以持續(xù)數(shù)百萬年。

2. 使用3D打印在宏觀長度范圍內(nèi)以亞毫米級的分辨率組織材料中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
3D打印徹底改變了從建筑到航空航天的諸多行業(yè)�，F(xiàn)在可以打印的材料范圍已擴(kuò)大到包括陶瓷，金屬，尼龍，絲綢，纖維素和木材聚合物復(fù)合材料，其所創(chuàng)建對象的大小范圍從納米到房屋均是存在的。

3D打印建筑

利用3D打印打印活體組織

利用3D打印打印活體組織我們完全可以是用3D打印為活性材料打印出宏觀結(jié)構(gòu)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，細(xì)胞可以存在其中發(fā)揮我們預(yù)期的作用。這樣細(xì)菌便無需自己生長或者人為的引入到結(jié)構(gòu)中，其可以跟隨3D打印的過程而直接形成最終的結(jié)構(gòu)。

第四部分：利用3D打印以及孢子設(shè)計(jì)新型的活性材料
1. 選用瓊脂糖作為結(jié)構(gòu)材料
瓊脂糖是一種源自海藻的水凝膠，由交替的D-半乳糖和3,6-脫水-L-半乳糖吡喃糖亞基的線性聚合物組成。之所以研究人員選擇瓊脂糖，是因?yàn)樗�具有剪切稀化、透明、水含量高，打印后�?qiáng)度高以及可迅速固化的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其可以支持在材料內(nèi)部嵌入細(xì)胞。

3D打印的各種瓊脂糖材料結(jié)構(gòu)

2. 重新設(shè)計(jì)3D打印機(jī)使其符合最終的要求
研究人員重新設(shè)計(jì)了3D打印機(jī)的噴嘴，使其打印前將兩種液流混合：一種是保持在高溫下的瓊脂糖聚合物，另一種是細(xì)胞和培養(yǎng)基的低溫混合物。

具有兩個(gè)噴嘴的3D打印機(jī)器

3. 什么的孢子才能符合3D打印的要求？
由于修改后的3D打印機(jī)的溫度要求（75℃），研究人員需要找到可以在高溫液流中存活的細(xì)菌。研究人員測試了代表不同種系的嗜溫菌和嗜熱菌，最終發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌PY79可以在高溫環(huán)境中保持很高的存活率，同時(shí)細(xì)胞可以熱休克中快速恢復(fù)。此外，當(dāng)研究人員將孢子暴露在較高溫度（> 75℃且最高100℃）下持續(xù)20 min，發(fā)現(xiàn)孢子仍然可以在100°C下存活。


在確定好瓊脂糖、細(xì)菌種類以及3D打印的條件之后，作者打印了一個(gè)簡單的條形圖，該條形圖由七層（2 mm×3 mm×25mm）組成。為了幫助成像，研究人員將具有綠色熒光蛋白（GFP）組成型表達(dá)的基因線路引入枯草芽孢桿菌基因組中。當(dāng)孢子被印刷時(shí)，它們均勻地分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中（相反，非孢子細(xì)胞的分布缺失不均勻，會被高溫殺死或者生長不均勻）。

當(dāng)孢子被印刷時(shí)，它們均勻地分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中

4. 3D打印功能性活性材料的性能如何？
這種活性材料可以通過干燥除去水份用于長時(shí)間存儲。復(fù)水后，材料可以恢復(fù)原始的印刷形狀。

這種活性材料可以通過干燥除去水份用于長時(shí)間存儲。復(fù)水后，材料可以恢復(fù)原始的印刷形狀。

打印表達(dá)綠色熒光蛋白的枯草芽孢桿菌的孢子時(shí)，它們干燥儲存1個(gè)月（測試的最大值），并在復(fù)水后細(xì)菌恢復(fù)發(fā)光。然后更長的儲存時(shí)間并不會導(dǎo)致發(fā)芽和生長后GFP表達(dá)的損失，所以鑒于孢子的已知壽命，在無限期儲存后它們將能夠重新恢復(fù)正常生長。

干燥儲存1個(gè)月（測試的最大值），復(fù)水后細(xì)菌恢復(fù)發(fā)光

經(jīng)過測試，此種活性材料可以多種極端環(huán)境壓力下維持正常狀態(tài)。100%乙醇溶液浸泡、高滲透壓、強(qiáng)酸、紫外線、X射線、γ輻射和高溫等等條件下，活性材料內(nèi)部的細(xì)菌仍然可以在復(fù)水后恢復(fù)正常生長，產(chǎn)生熒光。

第五部分：作者利用超強(qiáng)的活性材料做了什么有趣的事情？
1. 生物傳感器
這種活性材料可以充當(dāng)生物傳感器。我們可以在細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入感應(yīng)元件，使其可以在自然環(huán)境中感應(yīng)多種信號。研究人員在細(xì)胞中設(shè)計(jì)了多種的小分子感應(yīng)器，比如木糖或者香草酸傳感器，其效果表現(xiàn)都十分優(yōu)異。進(jìn)一步，我們還可以設(shè)計(jì)細(xì)和材料結(jié)果，使其可以在自然環(huán)境中檢測重金屬污染，在人體緩釋藥物分子等等。

生物傳感器的響應(yīng)效果

2. 治療傷口的3D打印補(bǔ)丁
人體表面受到嚴(yán)重的創(chuàng)傷時(shí)極容易產(chǎn)生感染，其中金黃色葡萄球菌就是常見的的感染源之一，而活性材料可以用于解決這一難題。

我們可以掃描了傷口，計(jì)算了填補(bǔ)空隙所需的形狀，通過3D打印創(chuàng)建適合人體傷口形狀的醫(yī)療補(bǔ)丁，代替包裝諸如紗布的材料。同時(shí)我們可以在醫(yī)療補(bǔ)丁內(nèi)部嵌入人工設(shè)計(jì)的細(xì)胞，其可以分泌抗生素來特異性的殺死感染細(xì)胞。研究人員通過在枯草芽孢桿菌中導(dǎo)入了一套分泌特異性殺死金黃色葡萄球菌的抗生素產(chǎn)生通路，并將其嵌入到3D打印的材料之中，結(jié)果表明這種設(shè)計(jì)可以有效的殺滅金黃色葡萄球菌，促進(jìn)傷口的痊愈。

治療傷口的3D打印補(bǔ)丁

總結(jié)
在這項(xiàng)研究中，研究人員自用3D打印技術(shù)將細(xì)菌孢子嵌入了凝膠材料之中，設(shè)計(jì)了一種可以在嚴(yán)酷環(huán)境下長期維持生存的生物活性材料。其可以用于設(shè)計(jì)用于實(shí)驗(yàn)室外環(huán)境的生物傳感裝置或者醫(yī)療用傷口補(bǔ)丁。

合成生物學(xué)的許多設(shè)計(jì)想要真正走向應(yīng)用，工程細(xì)胞必須能夠在不斷變化的壓力環(huán)境中生存并發(fā)揮其功能。孢子具有在沒有水和營養(yǎng)的情況下以及在惡劣條件下生存的能力，而3D打印可以進(jìn)一步提高生物材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。兩者的結(jié)合邁出了生物活性材料走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

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