3D打印LAMBA活體功能材料，可用于智能制造及可穿戴設(shè)備的組裝

來(lái)源：MEMS

北京時(shí)間2021年12月21日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴卓君課題組與劉志遠(yuǎn)課題組合作在Nature Chemical biology發(fā)表題為“Programmable Living Material Generated by Bacterial Assembly”的文章。針對(duì)活體功能材料這一領(lǐng)域，提出一種全新的可快速自愈的活體材料構(gòu)建思路，并進(jìn)一步將這種思路轉(zhuǎn)化成一種普適的活體材料組合方法，將其推廣應(yīng)用于全新的應(yīng)用領(lǐng)域如智能制造及可穿戴設(shè)備的組裝，初步嘗試BT+IT的融合。設(shè)計(jì)理念跳出目前活體材料以生物被膜為基礎(chǔ)的編輯框架，利用高分子物理化學(xué)的理念去跨學(xué)科研究和挑戰(zhàn)利用微生物制備具有快速自修復(fù)特性的可編程和可加工的活體功能材料。第一作者為陳柏竹博士，第二作者孫靜及朱潤(rùn)濤在可穿戴器件部分及文章修改方面做出了重要貢獻(xiàn)。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41589-021-00934-z

為什么是Ta？

自2014年提出活體材料的概念，迄今大部分工作是通過(guò)編輯工程生物被膜（Biofilm engineering）實(shí)現(xiàn)材料組裝，而其中最為成熟的是大腸桿菌淀粉樣蛋白纖維（curli）體系1。Curli體系由蛋白單體CsgA在細(xì)菌表面鉚定并聚合形成纖維，通過(guò)與CsgA融合多肽或蛋白功能域，可賦予curli多樣化的功能。然而由于分泌的局限性，CsgA只能融合約100個(gè)氨基酸左右的蛋白，限制了curli功能修飾的范圍。另一方面，作為活體材料，其核心優(yōu)勢(shì)之一是自修復(fù)。目前，活體材料自修復(fù)全部依靠細(xì)菌自身的生長(zhǎng)更新，即使以分裂速度極快的大腸桿菌為例，自修復(fù)的時(shí)間尺度也在幾個(gè)到幾十個(gè)小時(shí)之間。而在健康監(jiān)測(cè)的可穿戴器件中，材料在拉伸或折疊后必須快速修復(fù)其性能以保證器件運(yùn)行的穩(wěn)定性。例如可穿戴器件中的應(yīng)變傳感器，其靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性取決于材料修復(fù)后的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和機(jī)械性能。這一類(lèi)材料對(duì)自修復(fù)的要求通常是分鐘級(jí)別的。因此，當(dāng)前活體材料理論自修復(fù)能力與實(shí)際需求有百倍，乃至千倍的差別。單純依靠合成生物學(xué)原有思路: 利用生物生長(zhǎng)帶來(lái)的自修復(fù)效應(yīng)無(wú)法解決該問(wèn)題，亟待引入跨學(xué)科的理念及設(shè)計(jì)提供新思維和新方法。

LAMBA ：Living Assembled Material by Bacteria Assembly

在一類(lèi)合成高分子材料中，通過(guò)非共價(jià)鍵的化學(xué)作用可以實(shí)現(xiàn)快速、多次的自修復(fù)。這種基于動(dòng)態(tài)非共價(jià)化學(xué)作用的自修復(fù)，主要通過(guò)氫鍵等主客體作用。在生物大分子中，抗原抗體間可以通過(guò)非共價(jià)鍵結(jié)合，包括氫鍵、靜電作用、疏水作用力等。由此，該項(xiàng)工作通過(guò)在微生物表面編輯抗原或抗體分子，引導(dǎo)微生物可通過(guò)抗原抗體相互作用產(chǎn)生粘合，從而形成可快速自修復(fù)的活體功能材料，搭建活體功能材料設(shè)計(jì)的新框架(圖1)。

圖1：組裝LAMBA活體功能材料，使材料可加工、可編程、可快速自愈。

科研人員運(yùn)用已開(kāi)發(fā)的抗原或抗體及表面展示體系。將抗原或抗體展示到大腸桿菌細(xì)胞膜表面構(gòu)建工程細(xì)菌，隨后混合兩種細(xì)菌構(gòu)建材料�；旌虾蟮募�(xì)菌由于抗原抗體作用迅速自組裝成材料前體（LAMBA, 圖2a）。LAMBA相對(duì)于單種細(xì)菌具有更高的動(dòng)態(tài)模量以及粘度,這種優(yōu)化后的流變性能使得LAMBA具有更好的加工性（圖2b）。LAMBA可直接作為3D打印材料構(gòu)建宏觀的二維或三維精細(xì)結(jié)構(gòu)(圖2c），也可構(gòu)建微米級(jí)材料，如組裝微米級(jí)纖維（圖2d）。作為活體材料，LAMBA具備“活”材料的生長(zhǎng)特性，通過(guò)將LAMBA進(jìn)行“復(fù)印”, 便可復(fù)制產(chǎn)生新材料，而新材料依舊能夠保持良好的形態(tài)完整（如圖2e）。

圖2：LAMBA具有可加工性。a: 展示有抗原和抗體的大腸桿菌混合后，自組裝并沉降形成LAMBA; b: LAMBA的粘度得到顯著提升；c: LAMBA構(gòu)建二維或三維的宏觀精細(xì)結(jié)構(gòu)；d：構(gòu)建微米級(jí)LAMBA纖維：e: LAMBA可進(jìn)行高保真的復(fù)刻。

可編程的LAMBA

科學(xué)家使用合成生物學(xué)工具對(duì)LAMBA進(jìn)行編程，賦予其生物降解或生物催化的功能：
可生物降解的LAMBA: 科研人員在展示抗原的細(xì)菌表面同步展示有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶(OPH)，并在展示抗體細(xì)菌表面修飾納米金顆粒（圖3a）。利用兩種細(xì)菌粘合制作活體材料。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在OPH的催化下，組裝的活體材料首先將對(duì)氧磷將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g產(chǎn)物對(duì)硝基苯酚,并進(jìn)一步由納米金顆粒催化降解為低毒害的對(duì)氨基苯酚（如圖二B）。

可生物催化的LAMBA: 科研人員在展示抗原的細(xì)菌表面同步展示淀粉水解酶（BA），并在展示抗體細(xì)菌胞內(nèi)表達(dá)海藻糖合成酶(TreS)，利用兩種細(xì)菌粘合制作活體材料（圖3c）。淀粉作為一種無(wú)法被大腸桿菌利用的碳源，可首先由淀粉水解酶轉(zhuǎn)化為麥芽糖，并作為底物運(yùn)輸?shù)桨麅?nèi)，被海藻糖合成酶轉(zhuǎn)化為海藻糖（圖3d）。

值得一提的是，科研人員利用蛋白展示系統(tǒng)可將545個(gè)氨基酸的功能域展示到LAMBA表面，提高活體功能材料的修飾能力。

圖3：可編程LAMBA。a-b：通過(guò)編程使得LAMBA材料具備對(duì)氧磷降解能力；c-d：通過(guò)編程使得LAMBA材料獲得海藻糖合成能力。

可穿戴LAMBA柔性器件

研究人員希望通過(guò)抗原抗體的非共價(jià)作用使得LAMBA具有快速自修復(fù)的能力。為此將LAMBA置于可拉伸SEBS薄膜上，循環(huán)拉伸至長(zhǎng)度的250%，同時(shí)跟蹤其導(dǎo)電性。數(shù)據(jù)顯示，LAMBA在此循環(huán)拉伸(10次)下始終維持恒定電阻，而單種細(xì)菌在拉伸時(shí)電阻迅速升高�？茖W(xué)家從菌體中間劃斷材料，五分鐘內(nèi)捏合斷面并立即重復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)（如圖4a）。數(shù)據(jù)顯示，LAMBA在修復(fù)后的循環(huán)拉伸下依舊維持恒定電阻，而單種細(xì)菌的電阻則顯著升高，表明LAMBA器件具備迅速自愈合能力（如圖4b-c）。

圖4：可穿戴LAMBA柔性器件。a: 測(cè)試LAMBA自愈合性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；b：劃斷前; c：劃斷捏合后, LAMBA (紫色)均保持250%長(zhǎng)度循環(huán)10次拉伸下的電阻穩(wěn)定性；d: 柔性LAMBA電生理傳感器; e：握拳與放松狀態(tài)下的肌肉電生理信號(hào)，自上而下依次為柔性LAMBA、Nb、Ag、Au電生理傳感器; f: E圖所對(duì)應(yīng)肌肉電生理信號(hào)的信噪比，SNR=20 lg(ASignal /ANoise)；g:柔性LAMBA應(yīng)變傳感器; h：柔性LAMBA應(yīng)變傳感器可穩(wěn)定監(jiān)測(cè)指節(jié)彎曲;i：柔性金薄膜應(yīng)變傳感器無(wú)法監(jiān)測(cè)大角度關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

可穿戴設(shè)備旨在檢測(cè)人體基本生理信號(hào)以達(dá)到日常健康檢測(cè)、輔助康復(fù)治療等效果，拉伸導(dǎo)電性能是設(shè)備能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一�；�于以上細(xì)菌高拉伸循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試，科研人員進(jìn)一步將LAMBA制備成傳感器用作可穿戴器件，包括柔性LAMBA電生理傳感器（LAMBA EMG sensor）以及 應(yīng)變傳感器（LAMBA strain sensor）。
電生理傳感器用于記錄肌肉在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電生理信號(hào)（如圖4d）。人體的神經(jīng)肌肉活動(dòng)均伴隨著電生理信號(hào)的產(chǎn)生，不同神經(jīng)肌肉電生理信號(hào)的頻率、幅度不同，生理特征與應(yīng)用范圍也不同。對(duì)肌肉電信號(hào)的準(zhǔn)確獲取，一方面可以用于評(píng)估肌肉的健康狀態(tài)，另一方面也可以用于計(jì)算評(píng)估人體瞬時(shí)的動(dòng)作意圖，進(jìn)而去控制外部設(shè)備，如假肢和外骨骼等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，柔性LAMBA電生理傳感器可以捕捉到肌肉電信號(hào)，并且相比于相同方法制備的單菌或金薄膜電生理傳感器顯示更好的信噪比（如圖4e-f）。
另一方面，LAMBA的高拉伸性與自愈合特性在應(yīng)變傳感器中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，科學(xué)家對(duì)LAMBA進(jìn)行封裝構(gòu)建電阻式應(yīng)變傳感器，并將傳感器貼敷在手指關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)手指彎曲時(shí)的形變信號(hào)（如圖4g）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，具有微裂紋結(jié)構(gòu)的柔性金薄膜應(yīng)變傳感器在手指彎曲的情況下出現(xiàn)信號(hào)中斷現(xiàn)象（如圖4i），而利用活體材料構(gòu)建的柔性LAMBA應(yīng)變傳感器可穩(wěn)定的感知指節(jié)動(dòng)作，并給與相應(yīng)的信號(hào)輸出（如圖4h）。

圖5：應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)指節(jié)彎曲。左：LAMBA應(yīng)變傳感器，右：柔性金薄膜應(yīng)變傳感器。

在指節(jié)彎曲過(guò)程中，越靠近關(guān)節(jié)處的傳感器形變量越大，基于此具有微裂紋結(jié)構(gòu)的柔性金薄膜傳感器因部分區(qū)域形變量過(guò)大而導(dǎo)致整個(gè)傳感器失效，即具有微裂紋結(jié)構(gòu)的柔性金薄膜傳感器無(wú)法在大形變角度下正常工作（如圖5-右）。相比之下，柔性LAMBA應(yīng)變傳感器可以應(yīng)對(duì)這種不均勻形變的現(xiàn)象，通過(guò)電阻變化來(lái)實(shí)時(shí)反應(yīng)指節(jié)的彎曲角度與動(dòng)作保持狀態(tài)（如圖5-左）。

LAMBA展望：BT+IT

該項(xiàng)工作跳出活體材料編輯淀粉樣蛋白系統(tǒng)等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，借鑒一類(lèi)通過(guò)動(dòng)態(tài)非共價(jià)結(jié)合的自修復(fù)高分子的修復(fù)機(jī)理，搭建了快速自愈合活體材料組裝的新框架。
1）將一類(lèi)自修復(fù)高分子中的動(dòng)態(tài)非共價(jià)理念引入工程微生物，利用抗原-抗體間的非共價(jià)結(jié)合力構(gòu)建可快速自修復(fù)的活體功能材料；
2）通過(guò)表面展示體系實(shí)現(xiàn)大蛋白對(duì)細(xì)菌表面的修飾，提高活體功能材料的可加工性及可編程性；
3）將活體功能材料構(gòu)建傳感器等并應(yīng)用于頻繁拉伸或彎折的可穿戴設(shè)備，對(duì)肌肉電信號(hào)等健康指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
該項(xiàng)工作對(duì)獲得具有快速修復(fù)能力的活體材料具有重要的理論指導(dǎo)及實(shí)際應(yīng)用意義。其在IT領(lǐng)域智能制造應(yīng)用上的嘗試，表明合成生物學(xué)在IT領(lǐng)域應(yīng)用的無(wú)限可能，為合成生物學(xué)材料研究開(kāi)拓新思路、新方向。

業(yè)界大咖點(diǎn)評(píng)：

中國(guó)科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)教授樊春海：這個(gè)工作在活體材料的設(shè)計(jì)與編輯中跨出了一大步。尤其是將高分子物理及化學(xué)中利用動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵介導(dǎo)的快速自愈合這一創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路來(lái)武裝細(xì)菌，將在高分子學(xué)科中積累的經(jīng)典體系跨學(xué)科的引入合成生物學(xué)，這也提示我們?cè)谖磥?lái)的活體材料設(shè)計(jì)中可以學(xué)習(xí)和借鑒其他材料科學(xué)的優(yōu)秀體系。

中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所首席科學(xué)家趙國(guó)屏：該成果聚焦在活體功能材料領(lǐng)域，挑戰(zhàn)了活體材料分鐘內(nèi)自愈這個(gè)單純依靠細(xì)胞分裂無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題。解決這個(gè)問(wèn)題的靈感來(lái)源于動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵形成快速自愈合的理論，利用細(xì)菌表面安裝可粘合的抗原-抗體的性質(zhì)，人工改造細(xì)菌開(kāi)發(fā)了一種可快速組裝自愈的功能材料，實(shí)現(xiàn)了全新的可編程材料模式。尤其值得一提的是，該工作進(jìn)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(hào)傳感器以及壓力傳感器，突破了生命體與非生命器件的界限，拓展了活體材料的構(gòu)建框架和應(yīng)用領(lǐng)域，這是化學(xué)生物學(xué)及生物技術(shù)與材料科學(xué)和工程科學(xué)學(xué)科交叉“會(huì)聚”研究的一個(gè)范例。