摔碎的手機屏能像皮膚一樣實現(xiàn)自我修復，蓋著的杯子能像胃一樣消化食物，穿戴的衣服能像皮膚一樣感知周圍的環(huán)境情況……南京工業(yè)大學余子夷教授團隊聯(lián)合英國劍橋大學Tuomas Knowles教授團隊的最新研究成果有望讓這些想象走進現(xiàn)實。他們致力于研究生物細胞與人工物質(zhì)的融合組裝，將生命體“活”的特征賦予材料自生長、自適應、自修復、自感知等宏觀性能。這項研究成果近日以“基于蛋白質(zhì)顆粒水凝膠的活體功能材料生物打印”為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《自然·通訊》。
余子夷介紹說，活體功能材料是材料科學與合成生物學交叉融合的產(chǎn)物，對發(fā)展未來生命材料具有重大意義。此次他們的研究取得了兩大突破：一是賦予材料催化“活性”，提升了細胞的生物轉(zhuǎn)化效率;二是提供了一個可借鑒的研究范式，可擴展到自修復、生物傳感等新興功能的活體材料制備。
“一個普通材質(zhì)制作的基質(zhì)僅是作為一種容器固定目標細胞，但采用顆粒水凝膠載體構(gòu)成的活性功能材料不僅為細胞提供一個生長代謝場所，更是高效率物質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物反應器。”余子夷進一步介紹道，針對目前多細胞工業(yè)菌株進行生物制造穩(wěn)定性和效率急需提高的迫切需求，他們發(fā)展了一種蛋白質(zhì)基的細胞微載體，將其構(gòu)建成具有催化特征的活材料，實現(xiàn)了苯乙醇分子的高效生物合成。
“生物轉(zhuǎn)化反應器內(nèi)的活細胞成分擴大了‘朋友圈’，提升了物質(zhì)轉(zhuǎn)化率。”余子夷形象地介紹說，如果將蛋白質(zhì)基的微載體比作一個雞蛋殼，以往里面注入的是無活性成分物質(zhì)或是將注入的活性細胞限制在固定位置，而他們的成果突出之處在于不但有活性細胞，而且活性細胞可以自由活動。這種活體材料不僅能利用細胞自身特性進行催化反應來實現(xiàn)生物制造，而且較之傳統(tǒng)的化學催化劑具有更高的效率、更好的特異性和更低的廢物產(chǎn)生量。實驗數(shù)據(jù)表明，這一技術(shù)的突破使苯乙醇生產(chǎn)從原先的1克/升提升至12克/升，效率提升12倍。
“我們利用核殼顆粒凝膠為生物墨水實現(xiàn)了面向微生物的3D打印，可拓展研究功能性微生物的手段并探索多細胞共生的相互作用，有助于開發(fā)高等級的復雜活體功能材料。”項目團隊成員張洋介紹說。
據(jù)介紹，比喻成雞蛋殼的細胞微載體也可理解為是一種船一樣的載體，船內(nèi)可以根據(jù)不同的需求裝載不同的微生物，形成不同的活性功能后，再通過3D打印成不同形狀。“這項研究為綠色生物制造提供了一個新的研究范式。”余子夷表示，照這樣的研究思路，用活性功能材料構(gòu)建的手機屏，在手機屏不慎摔破后，微生物即可感知破損并啟動自修復功能，還大家一個完整的手機屏。
該項目得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、南工大材料化學工程國家重點實驗室自主課題等項目的支持。研究成果實現(xiàn)了對細胞微環(huán)境與載體材料的分離，為構(gòu)建新型的活體功能材料、3D器官打印等領(lǐng)域研究提供了思路，有望促進醫(yī)藥、生物燃料、環(huán)境治理和食品工業(yè)等領(lǐng)域的綠色生物經(jīng)濟發(fā)展。
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