摔碎的手機屏能像皮膚一樣實現自我修復，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境情況……南京工業大學余子夷教授團隊聯合英國劍橋大學Tuomas Knowles教授團隊的最新研究成果有望讓這些想象走進現實。他們致力于研究生物細胞與人工物質的融合組裝，將生命體“活”的特征賦予材料自生長、自適應、自修復、自感知等宏觀性能。這項研究成果近日以“基于蛋白質顆粒水凝膠的活體功能材料生物打印”為題發表于國際權威期刊《自然·通訊》。
余子夷介紹說，活體功能材料是材料科學與合成生物學交叉融合的產物，對發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”，提升了細胞的生物轉化效率;二是提供了一個可借鑒的研究范式，可擴展到自修復、生物傳感等新興功能的活體材料制備。
“一個普通材質制作的基質僅是作為一種容器固定目標細胞，但采用顆粒水凝膠載體構成的活性功能材料不僅為細胞提供一個生長代謝場所，更是高效率物質轉化的生物反應器。”余子夷進一步介紹道，針對目前多細胞工業菌株進行生物制造穩定性和效率急需提高的迫切需求，他們發展了一種蛋白質基的細胞微載體，將其構建成具有催化特征的活材料，實現了苯乙醇分子的高效生物合成。
“生物轉化反應器內的活細胞成分擴大了‘朋友圈’，提升了物質轉化率。”余子夷形象地介紹說，如果將蛋白質基的微載體比作一個雞蛋殼，以往里面注入的是無活性成分物質或是將注入的活性細胞限制在固定位置，而他們的成果突出之處在于不但有活性細胞，而且活性細胞可以自由活動。這種活體材料不僅能利用細胞自身特性進行催化反應來實現生物制造，而且較之傳統的化學催化劑具有更高的效率、更好的特異性和更低的廢物產生量。實驗數據表明，這一技術的突破使苯乙醇生產從原先的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現了面向微生物的3D打印，可拓展研究功能性微生物的手段并探索多細胞共生的相互作用，有助于開發高等級的復雜活體功能材料。”項目團隊成員張洋介紹說。
據介紹，比喻成雞蛋殼的細胞微載體也可理解為是一種船一樣的載體，船內可以根據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。“這項研究為綠色生物制造提供了一個新的研究范式。”余子夷表示，照這樣的研究思路，用活性功能材料構建的手機屏，在手機屏不慎摔破后，微生物即可感知破損并啟動自修復功能，還大家一個完整的手機屏。
該項目得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、南工大材料化學工程國家重點實驗室自主課題等項目的支持。研究成果實現了對細胞微環境與載體材料的分離，為構建新型的活體功能材料、3D器官打印等領域研究提供了思路，有望促進醫藥、生物燃料、環境治理和食品工業等領域的綠色生物經濟發展。
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