王宇翔，吳夏泠，張文彬

（1北京分子科學國家研究中心，高分子化學與物理教育部重點實驗室，軟物質科學與工程中心，北京大學化學與分子工程學院，北京 100871；2集美大學海洋食品與生物工程學院，福建 廈門 361021）

自1920年Staudinger首次提出高分子的概念以來，高分子已成為材料領域不可或缺的組成部分，逐漸建立了高分子鏈式結構的認知范式，并從中衍生出兩條截然不同的發(fā)展路徑（分別是以聚烯烴為范例的合成高分子工業(yè)和以核酸、蛋白質為范例的分子生物學），對人類社會發(fā)展持續(xù)產生著重要、廣泛而深遠的影響。高分子結構的特殊性來自于其隨著分子量增大、分子結構復雜化以及多重分子鏈間次級相互作用而產生的涌現性能，使其不僅可發(fā)生分子鏈纏結，帶來黏度、彈性等宏觀性能的改變，還可通過改變序列成為信息的載體，并經由折疊實現多種多樣的功能［1］。線性高分子的交聯進一步形成網絡結構，帶來更為豐富的材料性質，是包括塑料、橡膠、凝膠等多種高分子材料的實際存在形式。至今，人們已經發(fā)展了多種策略，以精準控制從分子參數（如長度、序列、立體化學、拓撲結構等）到網絡結構（如互穿網絡、雙網絡、納米復合結構等）的高分子多級結構，在相關材料研發(fā)上取得了長足的進展，促進了對結構-性能關系的理解。

近年來，合成生物學的發(fā)展又為材料科學領域增添了新的活力。合成生物學旨在編輯活體生物以實現用戶功能導向的目標。類似于計算機編程，合成生物學通過編輯DNA、蛋白質來改變亞細胞層次甚至個體層次的生命活動。2000年，第1個基因層面的切換開關［2］和抑制器元件［3］設計成功，揭開了合成生物學的序幕。此后，研究者們陸續(xù)實現了對原核［4］和真核細胞［5］基因回路的編輯，并逐步走向整個基因組的設計和合成［6］。而類似CRISPR/Cas9等先進的基因編輯技術則使得其應用變得更加簡單和直接［7］。近年來，結合計算機輔助蛋白質設計的進展，研究者們又進一步實現了從用戶需求出發(fā)的、基于蛋白質的邏輯回路的從頭設計［8］，堪稱合成生物學的又一個里程碑。這些工程化策略使得人們可以賦予細胞特定的材料屬性，發(fā)展相應的生物活體功能材料。2014年，Lu團隊［9］構建了工程化細菌與菌毛蛋白CsgA納米纖維組裝體相融合的活體材料，可通過融合表達，方便地調控活體材料的性能，并和非生物組分組裝，實現器件化。這打開了材料科學嶄新的一頁。相比于傳統(tǒng)材料，活體材料最大的優(yōu)勢在于其兼具生命的特征和材料的功能，不僅可自我生長、自我成形、具有生命體系的諸多復雜功能（如酶活性），還具有對環(huán)境響應、自我修復、易與各種加工技術（3D打印、器件化）整合等優(yōu)勢。但是，目前多數活體材料工作都集中在展示其生命特征上，而殊少關注其材料屬性，尤其在力學性能方面遠遜于傳統(tǒng)高分子材料。要在這方面取得突破就必須借鑒材料科學（尤其是高分子科學）幾十年來的豐碩成果。

2021年6月8日，中國科學院深圳技術研究院的戴卓君研究員團隊和杜克大學的游凌沖團隊在《自然·通訊》上合作發(fā)表了以“Living fabrication of functional semi-interpenetrating polymeric materials”為題的研究。該研究以殼聚糖微凝膠為基質材料，設計包裹含有工程化大腸桿菌的生物活體功能材料，可自發(fā)表達、原位形成具有錨定功能蛋白的半互穿網絡結構（圖1）。當功能蛋白為β-內酰胺酶（Bla）時，該活體材料可保護小鼠在抗生素擾動下維持較為穩(wěn)定的腸道菌群組成，并有效減少給藥次數。

圖1 半互穿網絡活性材料的制備和應用Fig.1 Preparation and application of semi-interpenetrating network living materials

在材料設計方面，該工作將高分子科學的半互穿網絡理念成功引入活體材料中，其第一網絡由三聚磷酸鈉和殼聚糖通過靜電作用交聯所得，而第二互穿組分則由工程化細菌產生和釋放的反應性功能蛋白原位聚合而得。不同于傳統(tǒng)高分子材料的加工制備，該工作的難點在于如何原位實現蛋白質單體的可控釋放與有效聚合。研究者將具有密度誘導細菌自主裂解特點的ePop回路引入該體系，通過表達一種來源于噬菌體的、可阻礙其細胞壁合成的E蛋白毒素，使得當細菌密度生長至一定水平時，即自發(fā)裂解、釋放出蛋白質單體。同時，研究者選用可基因編碼的蛋白質反應對諜標簽（SpyTag）和諜捕手（SpyCatcher）分別修飾蛋白質單體，使其在釋放后局部濃度較高的情況下自發(fā)聚合，通過與第一組分的互穿，一方面實現蛋白質單體的固定化，一方面促進了其力學性能的提升，抑制了微凝膠在細菌生長過程中的塌縮。值得注意的是，半互穿網絡的儲能模量能達到2 kPa，遠高于非互穿凝膠網絡以及單純的諜網絡水凝膠［10］或殼聚糖微凝膠。

在材料功能方面，該工作將可降解β-內酰胺類抗生素的Bla作為功能蛋白質單體融入半互穿網絡，以期保護腸道菌群組成免受抗生素擾動。實驗結果表明，半互穿網絡的存在對于Bla的酶活具有非常重要的保護作用。得益于工程菌具有不斷產生Bla的功能以及互穿網絡對酶穩(wěn)定性的提升，在體外實驗中，即使在抑制劑長時間作用下，其酶活性依然可在撤除抑制劑后快速恢復；在體內實驗中，該活體材料被灌胃輸送至小鼠腸道內，在靜脈輸入抗生素后，該小鼠腸道的菌群總量和菌群結構整體上展現出比對照組（無材料組、無互穿網絡組以及無細胞組）更加顯著的穩(wěn)定性，較好地解決了Bla易受到環(huán)境影響而失活的問題。

這一研究成果為生物活體功能材料的構建提供了新的思路，提示活體材料的發(fā)展應多多借鑒和應用傳統(tǒng)的高分子材料工程策略。在該工作中，高分子互穿網絡通過機械互鎖限制了兩個組分的相對運動趨勢，不僅使其兼具每個組分獨特的性能優(yōu)勢，如環(huán)境響應性與特定功能，更達到了提高材料力學性能、改善其耐受性的效果。事實上，高分子網絡結構調控還包括雙網絡結構、化學-物理交聯協同、滑環(huán)交聯點、納米復合結構等諸多策略，均有其獨特優(yōu)勢。例如，雙網絡水凝膠通過第一網絡的斷裂作為“犧牲鍵”耗散能量，而通過稀疏交聯的高分子量第二網絡維持其整體性，從而協調兩個組分，實現大幅增韌、有效提升力學性能［11］。類似地，化學-物理交聯協同的網絡中，動態(tài)的物理交聯在外力下不斷斷開并重新形成，高效耗散能量，而化學交聯則維持了整體結構的穩(wěn)定性［12］。滑環(huán)交聯點則是獨特的可變交聯點結構，可以像滑輪一樣導致網絡結構的重組，重新分散應力，帶來增韌的效果［13］。引入納米材料作為多價交聯點則可以制備納米復合物，大幅提高材料的力學性能［14］。首先，靈活利用這些策略可有效改善活體材料的力學性能和耐用性。其次，雖然活體材料的一個亮點在于可自發(fā)成型，但如果它兼容目前已經非常成熟的各種高分子加工方案，不失為更為便捷的應用途徑。最后，生物體系所能夠應用和提供的大分子構建相對有限，為了拓展活體材料的功能多樣性，必須向傳統(tǒng)高分子化學學習，引入并整合非天然的高分子組分。然而，在活體材料中應用高分子的相關策略并非易事，需要使用合成生物學的語言和工具［15］。例如，要控制單體的釋放和聚合，在這里就不能簡單套用傳統(tǒng)的高分子聚合反應，而是要用到新的、可基因編碼的蛋白質偶聯化學（如諜化學）；而要協調各個過程的時空次序，則不能簡單通過外部操作的時序性來實現，更多應該是通過程序化控制基因回路來實現。這樣的交叉融合不僅僅是理念上的，還需要研究工具、研究方法以及具體基元和分子模塊上的融會貫通（圖2）。

圖2 合成生物學與材料科學的交叉與融合Fig.2 Intersection and integration between materials science and synthetic biology

總之，合成生物學與材料科學尤其是高分子科學的交叉融合是大勢所趨。傳統(tǒng)高分子是以追求靜態(tài)結構的極限性能為目標，生命體是以追求特定環(huán)境壓力下的最適生存為目標，而活體材料有望結合兩者的主要優(yōu)勢，帶來材料科學的變革。雖然生命體總是將生存作為第一優(yōu)先權，總是要在滿足這個要求的前提下來實現所有其他的功能屬性，平添了不少限制，但同時也帶來了包括自修復性、可再生性、超高活性、功能多樣性等諸多優(yōu)勢。生命體本身也在進化過程中形成許多的活體功能材料。天然活體材料的成功啟示我們：材料科學的發(fā)展應借鑒這些生命特征，不僅要注重單一的材料性質，還要追求多組分體系中復雜的相互作用網絡所帶來的涌現性質。毫不夸張地說，生物活體功能材料既是材料在人類智慧出現之前的自然選擇，也是人造材料的理想未來。它既是起源，也是未來。為了更好地發(fā)展生物活體功能材料，我們認為應著重：①通過發(fā)展新穎的工具，融合合成生物學和高分子科學的理念和基元，廣開思路，拓展現有的研究范式與思維；②仔細甄別兩個體系的優(yōu)勢和劣勢，設計可同時發(fā)揮兩者長處的體系，將惰性成分和活性成分融合成為一個密不可分的功能整體；③針對特定應用場景，展示其“殺手锏”級應用。其中，蛋白質作為生命中心法則中功能的主要承載者，也是活體材料的重要主體。以蛋白質為核心，結合蛋白質工程，有望擺脫傳統(tǒng)天然蛋白質作為材料的局限性，既可詮釋序列、結構與功能的關系，又有望實現目的導向的可設計性，尋找到合適的切入點，迅速取得突破。合成生物學與材料科學在現階段的諸多不同恰恰為兩者在未來的合作和融合提供了廣闊的發(fā)展空間。