《Nature Biotechnology》：自动组装具有传感功能的合成材料

成果
当细菌菌落成长为半球形时，基因电路就触发一种蛋白质生产，分布在菌落之中的这种蛋白会招募无机材料。研究人员向培养基中投放纳米金颗粒后，菌落周围就会自动形成一个金壳，其大小形状可以通过改变生长环境进行控制。

过去，其他实验也成功地运用细菌让材料生长，但是生长部位完全依赖于外部控制，并且仅限于2个维度。

在新研究中，杜克大学的研究人员通过让细胞自我编程来调整它们对营养物质的获取，展示了这种自组装复合结构生长系统，而且赋予了合成细菌3个维度的生长自由。

最新技术发表在10月9日出版的《Nature Biotechnology》。

设计理念
在自然界，很多生物都具备把无机物和有机物组装起来重新铸造最佳材料的能力。例如，有壳软体动物吸收碳酸钙，再将它们与少量的有机组分交织，就能形成比碳酸钙强度高3倍的显微结构。再例如，人类的骨头也是由各种无机盐和有机胶原蛋白混合而成。

“我们这项技术目的是让单细胞制造有用的设备，”杜克大学Paul Ruffin Scarborough工程学副教授YOU Lingchong（师承“可控进化”研究领域领军人物Frances Arnold教授）说。“从本质上讲，这与‘编程1个细胞生长成1颗树’没有什么不同。”

图1 YOU Lingchong博士

相比现有的制造工艺，借用细菌的构造能力有许多优点。生物体非常善于有效利用原材料和能源。例如，这种合成系统调整生长指令制造不同形状和图案的过程理论上比传统新模具的铸造更便宜，更迅速。

“大自然是生命和非生命物质结构材料大师，”You教授说。“但是编程自然物创造自组装模式是极端困难的。我们这项工作是一个原理证明，证明没有什么是不可能的。”

基因电路
像一个生物学指令包，插入细菌DNA中的基因电路首先指导细菌生产T7 RNA聚合酶（T7RNAP），激活细菌自己的一个正反馈回路表达。同时，生产一种名为AHL的小分子，让其扩散到环境中。

随着细胞分裂生长，AHL小分子浓度达到一个临界阈值，触发T7溶菌酶和curli（菌毛）蛋白生产。前者抑制T7RNAP生成，后者像魔术贴一样紧紧地吸附无机化合物。

所有反馈回路的动态相互作用使细菌菌落以圆球的形式生长，直到营养耗尽为止。球状菌落外部细菌因curli蛋白的吸附作用抓取了环境中的纳米金颗粒，最终建造了一个金半球。（如图2）

图2

通过控制细菌培养多孔薄膜的特性，例如孔的大小、斥水能力、营养供应等，改变细菌增长模式，从而调整金半球的大小和形状。

传感器
为了展示该系统可用于工具装置构建，研究人员将这种无机物/有机物混合结构作为压力传感器使用。两个一模一样的半球形生长在2个基板表面。然后将两个基板夹在一起，使半球的顶点相触碰。（如图3）

图3

用铜线分别将半球与LED灯相连，当给夹板施加压力时，2个半球相互挤压引起变形，导致导电性增加，从而引亮相应数量的LED灯，亮灯数取决于施加的压力。

“在这篇文章中我们主要关注生物合成材料的压力传感器功能，”文章一作、You实验室的博后研究员Yangxiaolu（Will Cao）说。“实际上，朝着这一思路，它的应用潜能是巨大的。例如用生物合成反应材料制造生活电路，如果让材料的生产者，即细菌活着，就能制造出有自愈能力、随环境变化的动态材料。”

“另一方面，我们希望生成更复杂的模式，”You说。“细菌还有复杂的发枝模式，只不过我们目前还不知道如何让它们做到这一点。”