解读|Curr. Opin. Microbiol.|利用微生物生产生物材料的综述

5月11日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所钟超课题组受国际知名学术期刊Current Opinion in Microbiology编辑部邀请，在其Systems and Synthetic Biology主题专栏中在线发表综述文章“Engineering microbial systems for the production and functionalization of biomaterials”。

工程微生物系统生产各种可定制和可持续的生物材料，是当前合成生物材料的新趋势。此外，利用微生物系统生产的“活”材料具有可再生、自修复、环境响应等特性，并已经将生物材料的应用范畴从药物递送、伤口愈合领域拓展至生物电子以及活体治疗等领域。文章分别对模块化和系统改造微生物生产原材料以制备不同非活体的生物材料，以及利用合成生物学工具改造微生物系统制备智能“活”材料的策略进行了综述，并对关键挑战和未来趋势进行了展望。钟超研究员为本文通讯作者，黄园园博士后为本文第一作者。

在过去的十年中，随着基因工程的进步，使人类有能力对以DNA为生产代码的微生物进行重编程，构建高效的细胞工厂，用来生产不同性能的生物材料。然而，在已经开发出的众多生物材料中，当前用于商业化的生物材料只是冰山一角。微生物生产的PHA, 细菌纤维素以及重组胶原蛋白的成功商业化，为推进生物材料的商业化提供了范例。

在这篇综述中，我们首先讨论了在微生物中生产大宗生物基聚合物的常用策略：1）在蛋白基生物材料的合成中，通过结合蛋白理性设计、表达底盘的选择、不同功能模块的基因组装、蛋白单体的翻译后修饰和自组装、菌株的高密度发酵和纯化等方法，制备蛋白纤维原材料; 2) 在非蛋白基生物聚合物的合成中，通过结合基因编辑、模拟分析、酶工程等策略对聚合物合成途径进行重构和优化，实现生物聚合物的高效生产。然后，我们综述了如何利用合成生物学工具和材料科学的方法制备功能涌现的“活材料”，例如在微生物中安装具有环境响应的基因线路可以制备出环境调控的活材料（可诊断胃肠道疾病的微生物电子设备、光响应的药物缓释活材料等），功能化生物被膜中的淀粉样蛋白可以制备出可打印的活体胶水、可降解的生物塑料以及可梯度矿化的生物被膜等，以及通过合成微生物群落的方法制备宏观的活体材料以及可穿戴的电子设备等。其次，讨论了在未来“活材料”的放大制备中，可以通过定向进化和单细胞技术增强材料的鲁棒性、通过包封技术消除生物安全性以及通过更多的基础研究探究微生物和无机材料之间相互作用的机理从而构建稳定有机-无机界面。最后，我们提出了计算机科学、生物技术和材料科学领域技术上的交叉融合是制备高性能生物材料的关键，工业界和学术界之间的深度合作是快速推进多种新型生物材料商业化的有效途径。

该工作获得了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目及深圳合成生物学创新研究院的支持。