摔碎的手机屏能像皮肤一样实现自我修复？盖着的杯子能像胃一样消化食物？穿戴的衣服能像皮肤一样感知周围的环境情况？……南京工业大学材料化学工程国家重点实验室余子夷教授团队联合英国剑桥大学Tuomas Knowles教授团队的最新研究成果有望让这些想象走进现实。他们致力于研究生物细胞与人工物质的融合组装，研究发现生命体“活”的特征可以赋予材料自生长、自适应、自修复、自感知等宏观性能。研究成果近日以“基于蛋白质颗粒水凝胶的活体功能材料生物打印”为题发表于国际权威期刊《自然·通讯》。余子夷和Tuomas Knowles两位教授为共同通讯作者。

细胞微载体制备示意图和3D打印构筑活体催化材料

“我国《‘十四五’生物经济发展规划》明确将生物制造作为生物经济战略性新兴产业发展方向，这对我们科学研究工作者来说是机遇也是挑战，是责任也是义务。”余子夷介绍了项目研究背景，他表示活体功能材料是材料科学与合成生物学交叉融合的产物，对发展未来生命材料具有重大意义，此次他们的研究取得了两大显著突破。“一则是赋予材料催化‘活性’，大幅度提升了细胞的生物转化效率；二则是提供了一个可资借鉴的研究范式，可扩展到自修复、生物传感等新兴功能的活体材料制备。”

“一个普通材质制作的基质仅是作为一种容器固定目标细胞，但采用颗粒水凝胶载体构成的活性功能材料不仅为细胞提供一个生长代谢场所，更是高效率物质转化的生物反应器。”余子夷进一步介绍，针对目前多细胞工业菌株进行生物制造稳定性和效率亟需提高的迫切需求，他们发展了一种蛋白质基的细胞微载体，将其构建成具有催化特征的活材料，实现了苯乙醇分子的高效生物合成。“生物转化反应器内的活细胞成分扩大了‘朋友圈’，大大提升了物质转化率。”余子夷形象地介绍，如果将蛋白质基的微载体比作为一个“鸡蛋壳”，以往里面注入的是无活性成分物质或是将注入的活性细胞限制在固定位置，而他们的成果突出之处在于“鸡蛋壳”内不仅有活性细胞，且活性细胞可以自由活动，形成“互助合作组”，在进行信息交换时增强了生物活性。也就是说，这种活体材料较之传统材料不仅能利用细胞自身特性进行催化反应来实现生物制造，而且较之传统的化学催化剂具有更高的效率、更好的特异性和更低的废物产生量，实现了利用细胞生物体机能进行的绿色生产。实验表明，这一技术的突破使苯乙醇生产从原先的1g/l 提升至12g/l，效率提升12倍。

活体催化材料实现多细胞协作生物制造苯乙醇

“我们利用核壳颗粒凝胶为生物墨水实现了面向微生物的3D打印，可拓展研究功能性微生物的手段并探索多细胞共生的相互作用，有助于开发高等级的复杂活体功能材料。”论文共同作者张洋硕士介绍，核壳结构的凝胶颗粒，通过相分离将微载体载体（壳相）与细胞培养（核心相）分开。实验表明，工业微生物能在液体的核相中悬浮培养，但由于固体壳相的空间限域作用，反而促进了菌株的高密度培养。“空间的限制可以更有效地抑制工业微生物逃逸，这样有限制的‘自由’保证了生物制造的环境安全，达到了绿色生物制造的目的。”

据介绍，比喻成鸡蛋壳的细胞微载体也可理解为是一种船一样的载体，船内可以根据不同的需求装载不同生命元素（微生物），形成不同的活性功能后，再通过3D打印成不同形状。“研究发现为绿色生物制造提供了一个新的研究范式。”余子夷表示，照这样的研究思路，用活性功能材料构建的手机屏，在手机屏不慎摔破后，微生物即可感知破损并启动自修复功能，还大家一个完整的手机屏。

该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、南工大材料化学工程国家重点实验室自主课题等项目的支持。研究成果实现了对细胞微环境与载体材料的分离，为构建新型的活体功能材料、3D器官打印等领域研究提供了思路，有望促进医药、生物燃料、环境治理和食品工业等领域的绿色生物经济发展。（杨芳）

2023年3月22日《新华网》：http://js.news.cn/2023-03/22/c_1129453900.htm