上科大课题组研发智能细菌 可时空调控无机纳米材料的动态自组装

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新民晚报讯（见习记者 郜阳）细菌也能像计算机程序那样按人为设定方式工作？上海科技大学物质学院材料与物理生物学研究部钟超教授课题组给出了肯定的回答。利用前沿合成生物学技术，钟超课题组研发了一种经过基因编程改造的智能细菌。该细菌能响应环境，并够时空可控地对溶液中的无机纳米材料进行动态自组装。

生物动态自组装在自然界中普遍存在，并构成了生物纳米机器以及很多自然材料系统的结构和功能基础。如骨和贝壳等自然材料系统就是在细胞的参与下，对有机和无机组分进行时空可控的动态自组装而形成。这些自然材料体系具备结构多级性，很多材料性能也远优于人工合成的材料。此外，这些动态自组装体系还具有过程自适应、环境响应和自我修复等特质。因此，将自然动态自组装体系整合嵌入合成自组装体系代表着一种新的自组装方法，该方法在创造新的材料和纳米结构方面蕴含着极大潜力，而这方面的交叉研究基本属于空白。

在这项工作中，为了挖掘自然动态自组装体系蕴含的潜力，实现其和合成的无机纳米材料的完美整合，钟超课题组利用合成生物学技术，改造了大肠杆菌的生物被膜淀粉样蛋白基因。大肠杆菌生物被膜的主要成分是卷曲纤毛纤维，其主要成分是通过大肠杆菌分泌的CsgA蛋白亚基自组装而成。

首先，课题组通过对大肠杆菌生物被膜CsgA蛋白分泌基因的改造，开发出光控（蓝光）调控CsgA蛋白表达和分泌的基因环路。然后，通过对CsgA蛋白功能修饰，能让分泌的CsgA蛋白自动识别经有机小分子配体修饰的无机纳米材料。在光的诱导下，工程菌能吐出大量的CsgA功能蛋白，并在细胞周围自组装形成纳米纤维材料网络，由于生成的纳米纤维在很多界面都具有超强的粘附作用，因而细菌最终能对溶液中的无机纳米材料进行大规模、多尺度并按时空可控的方式在各种界面进行动态自组装。

该研究首先证明了单种和多种纳米颗粒在不同基底表面的动态、大规模、多尺度组装。蓝光光控基因线路的引入则可以控制纳米颗粒的空间布阵，布阵精度可达100微米。另外，通过控制纳米颗粒的添加顺序，还可以实现纳米物件的自动层层自组装。该团队提出的此项动态纳米物件自组装方法，在生物电子、光电器件、生物催化和可穿戴设备方面都有“用武之地”。