- 南工大最新研究成果表明——活性材料可實(shí)現(xiàn)高效能細(xì)胞生物制造
- 發(fā)布日期：2023-03-30
摔碎的手機(jī)屏能像皮膚一樣實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，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(xué)余子夷教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國劍橋大學(xué)Tuomas Knowles教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果有望讓這些想象走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。他們致力于研究生物細(xì)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(yīng)、自修復(fù)、自感知等宏觀性能。這項(xiàng)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(xué)與合成生物學(xué)交叉融合的產(chǎn)物，對(duì)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(xì)胞的生物轉(zhuǎn)化效率;二是提供了一個(gè)可借鑒的研究范式，可擴(kuò)展到自修復(fù)、生物傳感等新興功能的活體材料制備。
“一個(gè)普通材質(zhì)制作的基質(zhì)僅是作為一種容器固定目標(biāo)細(xì)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(xì)胞提供一個(gè)生長代謝場所，更是高效率物質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物反應(yīng)器。”余子夷進(jìn)一步介紹道，針對(duì)目前多細(xì)胞工業(yè)菌株進(jìn)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(xì)胞微載體，將其構(gòu)建成具有催化特征的活材料，實(shí)現(xiàn)了苯乙醇分子的高效生物合成。
“生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)器內(nèi)的活細(xì)胞成分?jǐn)U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(gè)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(xì)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(xì)胞，而且活性細(xì)胞可以自由活動(dòng)。這種活體材料不僅能利用細(xì)胞自身特性進(jìn)行催化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)生物制造，而且較之傳統(tǒng)的化學(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(xì)胞共生的相互作用，有助于開發(fā)高等級(jí)的復(fù)雜活體功能材料。”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員張洋介紹說。
據(jù)介紹，比喻成雞蛋殼的細(xì)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(xiàng)研究為綠色生物制造提供了一個(gè)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(jī)屏，在手機(jī)屏不慎摔破后，微生物即可感知破損并啟動(dòng)自修復(fù)功能，還大家一個(gè)完整的手機(jī)屏。
該項(xiàng)目得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、南工大材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題等項(xiàng)目的支持。研究成果實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)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(jìn)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(jì)發(fā)展。
