自组装的基于生物膜的可编程材料

生物膜是包裹在黏糊糊但极其坚韧的细胞外物质基质中的细菌群落，这些物质由糖，蛋白质，遗传物质等组成。化学和生物工程副教授Neel Joshi和他的团队想对他们进行整容，并开发了一种称为BIND的新型蛋白质工程系统。

一项最新发表的研究详细介绍了哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员如何使用生物膜来创造自愈材料和其他技术。

对于许多人来说，生物膜会让人联想起河床或下水道中光滑的石头的图像。哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的一个团队将其视为设计师纳米材料的强大新平台，可以帮助清洁污染的河流，制造药品，制造新的纺织品等等。

生物膜是包裹在黏糊糊但极其坚韧的细胞外物质基质中的细菌群落，这些物质由糖，蛋白质，遗传物质等组成。研究人员希望对他们进行改造，并开发了一种名为BIND的新型蛋白质工程系统来做到这一点。研究小组表示，利用代表生物膜集成纳米纤维显示器的BIND，生物膜可以成为大规模生产生物材料的活用铸造厂，这些生物材料可以进行编程以提供现有材料无法实现的功能。他们今天在《自然通讯》杂志上报道了概念验证。

“当今大多数与生物膜相关的研究都集中在如何去除生物膜上，但是我们在这里证明了我们可以设计这些超韧的天然材料来执行特定的功能，因此我们可能希望它们具有特定的数量和特定的应用，”威斯研究所核心教研室的资深作者尼尔·乔希（Neel Joshi）说。乔希还是哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）化学与生物工程专业的副教授。

生物膜也可以自我组装和自我修复。Wyss研究所和SEAS的博士后研究员彼得·阮（Peter Nguyen）说：“如果它们受到破坏，它们会因为它们是活体组织而重新生长。”

在生物膜形成过程中，个体细菌会抽出蛋白质，这些蛋白质会在细胞外自我组装，形成缠结的纤维网络，这些纤维实质上将细胞粘合在一起，形成一个群落，从而使细菌比单独存在的细菌更安全。

对生物膜工程的兴趣激增，尽管其他几个团队最近开发了控制生物膜形成的遗传工具，但乔希（Joshi）的团队改变了细胞外物质本身的组成，从根本上将其转变为自我复制的生产平台，以生产出他们想要的任何物质生产。

“直到最近，合成生物学家和生物材料研究人员之间还没有足够的合作来以此方式开发生物膜的合成潜力。我们正在努力弥合这一差距，”乔希说。

研究小组将一种具有特定所需功能的蛋白质（例如，一种已知能粘附在钢上的蛋白质）通过基因融合到一种已经由大肠杆菌产生的名为CsgA的小蛋白质上。附加的结构域沿着自然过程进行，CsgA通过这种过程被分泌到细胞外，在该过程中，它会自组装成称为淀粉状纳米纤维的超韧蛋白。这些淀粉样蛋白保留了所添加蛋白质的功能，确保了所需的功能，在这种情况下，生物膜粘附在钢上。

传统上，淀粉样蛋白因其在引起诸如阿尔茨海默氏病之类的巨大健康挑战中的作用而受到了斥责，但是在这里，它们的作用对于使BIND变得强大至关重要。淀粉样蛋白可以自发地组装成纤维，按重量计，其比钢更坚固，而比丝更坚硬。

“我们也对这种方法的多功能性感到兴奋，”乔希说。该团队展示了将12种不同蛋白与CsgA蛋白融合的能力，其序列和长度变化很大。这意味着从原则上讲，他们可以使用该技术显示几乎任何蛋白质序列-这是一个重要功能，因为蛋白质执行了一系列令人印象深刻的功能，从与异物结合，进行化学反应，传递信号，提供结构支持，以及运输或储存某些分子。

不仅可以一次将这些功能编程到生物膜中，还可以将它们组合在一起以创建多功能生物膜。

微生物工厂的概念并不是一个新概念，但这是它首次应用于材料，而不是诸如药物或燃料之类的可溶性分子。乔希说：“我们实质上是将电池编程为制造工厂。”“他们不仅生产原材料作为建筑材料，而且还将这些建筑材料组装成高阶结构，并随着时间的推移维护这些结构。”

“尼尔和他的团队在生物膜方面所做的基础性工作使我们可以窥见一个更加环境可持续的未来，在那里庞大的工厂被缩小为一个单元的大小，我们可以编程该单元来制造满足我们日常需求的新材料-纺织品Wyss Institute创始董事Don Ingber说。

目前，该团队已经展示了对粘附在某些基材（例如钢）上的大肠杆菌生物膜进行编程的能力，这些生物膜可以固定蛋白质阵列或促进银的模板化，从而构建纳米线。

这项工作主要由Wyss研究所资助。作者还感谢美国国家科学基金会研究生研究奖学金和A * STAR国家科学研究生奖学金的支持。

出版物：Peter Q. Nguyen等人，“来自工程卷曲纳米纤维的基于生物膜的可编程材料”，《自然通讯》第5期，文章编号：4945; doi：10.1038 / ncomms5945

图像：威斯学院