經過改造和修飾的大腸桿菌「改頭換面」，不再是人體內的菌群，而成了聽從人類指揮的「員工」。
■本報記者 袁一雪
近日，上海科技大學物質學院材料與物理生物學研究部教授鍾超課題組就利用基因改造後的大腸桿菌，通過藍光控制，將納米級的量子點或其他無機材料均勻地塗在襯底上。這一研究成果在線發表在國際知名學術期刊Advanced Materials上。
「聽話」的大腸桿菌
選擇大腸桿菌的原因，是因為它的生物膜是目前研究得最清楚的模式微生物，其基因和分泌機制都已經被闡述，並且已有的工作已經證明其基因可以被編輯。
「大腸桿菌生物被膜的主要成分是捲曲纖毛纖維，其主要成分是通過大腸桿菌分泌的CsgA蛋白亞基自組裝而成。」鍾超在接受《中國科學報》記者採訪時解釋說。從性質上來看，大腸桿菌非常穩定，強酸強鹼和高溫都不會破壞它的結構；從生存角度來看，生物膜具備非常強的內在黏合力，可以黏附在各種材料的表面，「這些都為我們的研究提供了基礎」。
不過，給大腸桿菌「動手術」修改基因，並不是件容易的事，因為大腸桿菌是杆狀的細菌，單個細菌的長度在2～3 微米，而寬度僅為1 微米左右。鍾超課題組的研究人員利用合成生物學技術，對大腸桿菌的生物被膜澱粉樣蛋白基因批量進行改造。
在改造過程中，研究人員首先將大腸桿菌生物被膜CsgA蛋白分泌基因，變為可由藍光調控的CsgA蛋白表達和分泌的基因環路；然後對其進行修飾，讓CsgA蛋白可以識別、結合經過化學小分子配體修飾的無機納米材料。這些無機納米材料就是被「塗抹」在襯底的塗層材料。
經過改造和修飾的大腸桿菌「改頭換面」，不再是人體內的菌群，而成了聽從人類指揮的「員工」。研究人員只需要通過藍光或小分子的誘導，就可以讓它們分泌CsgA蛋白生物膜。組成生物膜的是一個個纖維，每一個纖維的亞單位，即CsgA蛋白識別一個納米顆粒。然後被CsgA蛋白「串起」的納米顆粒會依託生物膜的黏性，自然地附著在襯底表面。
因為在藍光中大腸桿菌才會分泌CsgA蛋白，所以想要什麼圖案只需要控制藍光或小分子等誘導因素的走向就可以引導大腸桿菌完成工作。同樣，一旦藍光消失，大腸桿菌也會終止CsgA蛋白的分泌。
經過試驗，這些大腸桿菌已經在研究人員手中完成了一個各種不同的基本形狀（如三角形和五角星等）和一個上海科技大學的logo的圖案。「上海科技大學的logo是一個平面結構，但是有一定的厚度，我們提供了一種新型方法，相較於傳統方法來說操作更加簡單，可能實用的範疇與傳統的方法相比不僅僅限於二維平面，也適用於三維不規則的界面和曲面。」鍾超表示。
而且，經由大腸桿菌形成的生物膜相當穩定，如果是在4℃的冰箱裡保存，可以存活至少一個月之久。「更重要的是，大腸桿菌基因編輯之後就攜帶了基因工程的質粒，可以一直使用下去。」鍾超補充說。
傳統方法的補充
鍾超課題組的研究內容屬於合成生物學，這一概念是2000年科學家在美國化學年會上提出的，是指人們將「基因」連接成網絡，讓細胞來完成設計人員設想的各種任務。例如把網絡同簡單的細胞相結合，可提高生物傳感性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。其實在自然界中，這種生物動態自組裝就普遍存在，比如骨和貝殼等自然材料系統就是在細胞的參與下，對有機和無機組進行動態自組裝而形成。這些自然材料體系的很多材料性能都遠優於人工合成的材料。
而在合成生物技術之前，無機納米材料塗層領域一般採用的傳統的工業製造技術是光刻、磁控濺射、蒸鍍等方法。「相對於傳統方法，大腸桿菌的合成生物技術目前還達不到傳統工藝的精度。」鍾超坦言，因為傳統的光刻膠工藝的解析度主要是基於用於光刻的光束的解析度，但是鍾超課題組需要通過細菌分泌生物膜並進行納米材料的布陣，而細菌本身就已經有2 微米的尺寸，所以工藝本身的解析度受限於細菌本身的尺寸。
雖然存在不完美，但是新技術的優勢也不容小覷。「我們的塗層相較於傳統的旋塗方法，可以在曲面和不規則的物體上形成塗層。」鍾超說。這對於傳統技術來說是一種補充和借鑑，對發展新型的塗層技術有參考意義。而且，因為大腸桿菌分泌的CsgA蛋白生物膜具有超強的黏附性，即使在最「光滑」的「不粘鍋」塗層——特氟龍（聚四氟乙烯，PTFE）上，也可以形成薄薄的生物被膜。在顯微鏡下，可以看到無機納米材料被大腸桿菌排列得非常整齊。更有趣的是，人們需要什麼顏色只需要添加這種顏色的無機納米材料即可得到需要的顏色。
應用領域更廣
當下，利用合成生物技術工程改造生物被膜技術是不少國際研究團隊的研究項目。「美國史丹福大學生物工程系的一個團隊在我們的文章接受一個月之後，在PNAS雜誌發表了一篇關於利用光控布陣生物被膜技術的文章，雖然他們的研究沒有涉及到材料應用，但是用到的生物概念和技術非常類似。」鍾超感慨道，「我們的研究能更早發出來，同時我們早在一年以前就已經申請了相關專利，從這些方面看，我們應該是非常幸運了。」
除了來自外部的壓力，鍾超課題組也需要克服來自這項研究本身的困難。因為與國內外的合成生物技術相比，他們更偏向材料和納米應用的交叉學科。所以在研究過程中，他們不單只是對生物方面進行改造，還包括無機材料的配體交換、光控基因電路的構建，以及光控裝置的搭建等領域。每一個領域都是研究人員面臨的挑戰。
談及未來，鍾超很樂觀，因為基於大腸桿菌只要有少量營養就能生存並生長生物被膜，因此大規模生產是非常容易的。論文發表後，他們將繼續深入研究搭建的平臺的應用，這項研究可以用於人工光合作用體系的構建和環境汙染物的降解方面。「比如納米材料其催化性能優異，如何對納米催化劑進行回收，避免造成二次汙染是一個很重要的方面，期望利用我們的生物被膜方法，實現納米催化劑的回收，防止二次汙染。」
《中國科學報》 (2018-05-11 第3版 科普)