合成生物学方法构筑可编程生物被膜活体功能材料

Programmable artificial biofilms represent new opportunities to create living functional materials that can rapidly grow, self-repair, and respond to the environment. Such materials possess “living” attributes that are absent from conventional artificial materials. Here, we propose an innovative living functional materials platform based on programmable Bacillus subtilis biofilms by leveraging the TasA amyloid organelle and export machinery of B. subtilis and the power of synthetic biology. To such ends, we plan to first modify TasA nanofibers by genetically fusing functional domains/proteins onto TasA monomers to endow the system with non-natural functionalities, for example, underwater adhesion derived from mussel adhesive proteins. By designing and implementing various synthetic genetic circuits, including IPTG induced-, pattern-forming-, heavy metal ion-triggered circuits as well as Quorum-Sensing circuit that strictly regulate TasA-R expression and extracellular assembly, we aim to design functional living materials with environmental responsiveness. Finally, we plan to demonstrate smart living cellular glues that can sense metal ions to secrete adhesive fibers to repair damages. We anticipate that our proposal, engineering intelligent living functional materials platform based on programmable B. subtilis biofilms, will advance the field of synthetic biology and push new frontiers of biomaterials research.

活体功能材料是一种能快速生长、自我修复并对环境做出响应的新型材料，它们具有传统人造材料所缺乏的“活体”特性。可编程生物被膜作为活体功能材料是目前交叉学科创新性发展的一个新方向。本项目将借助枯草芽孢杆菌生物被膜的TasA淀粉样蛋白的特性以及合成生物学的手段，提出一个基于可编程生物被膜的创新型的活体功能化材料平台。首先，我们通过将功能结构域/蛋白基团R融合到TasA单体上来修饰TasA纳米纤维，以赋予该系统功能化，例如源自贻贝粘附蛋白的水下粘附。其次，我们将通过设计和实施各种合成遗传电路，包括IPTG诱导、图案化电路、重金属离子触发电路以及群体感应电路等，严格控制TasA-R表达和细胞外自组装，得到具有环境敏感性的功能化生物材料。最后，我们将展示一种能被金属离子启动分泌粘性纤维从而实时修复裂缝的智能化生物胶水。我们期望通过该项目的实施，来扩大合成生物学领域的应用，并推动生物材料新前沿的研究。

物质如何被编码成活体材料是目前一个重要科学问题。近年来科学家利用材料合成生物学技术创造动态的、对环境敏感的和可调节的“活体功能材料”，使之具有传统材料和活细胞的双重属性。生物被膜是由微生物在各种表面上通过合成和分泌具有粘性和保护性的细胞外基质形成的，以耐受恶劣或营养不良的环境。用于细菌生物被膜形成的支架通常由淀粉样蛋白组成，这些蛋白质可以自组装形成纳米纤维。本项目以微生物被膜为研究对象，利用生物被膜淀粉样蛋白的组装机制，通过改造淀粉样蛋白来实现生物被膜的功能化，从而构建具有环境响应型、可编程化和功能应用的活体材料。在项目执行期间取得了如下研究结果：（1）区别于大肠杆菌生物被膜，本项目基于公认安全菌株枯草芽孢杆菌生物被膜的淀粉样蛋白展示机制，利用基因工程改造技术，建立了可展示更大功能化基团的、可编程化和可打印的生物被膜活体材料新平台；（2）利用枯草芽孢杆菌生物被膜多组分展示粘性蛋白，并结合自然界粘附机理进行修饰和改造，创新研制了可自修复和粘性可调的生物被膜活体胶水；（3）基于元件筛选和基因线路构建，合成生物学技术改造生物被膜，实现了特异性固定酶、感应和吸附污染物等功能，验证了生物被膜活体催化和环境修复的功能应用。在该项目资助下，项目负责人以一作或通讯发表论文9篇在Nat Chem Bio、Mater Today和ACS Appl Mater Inter等权威期刊上，并申请国际/国内发明专利5项。本研究项目的开展，不仅建立了可编程化的生物被膜工程活体材料平台，而且丰富了活体功能材料的理论和实践，有力促进了材料与合成生物学交叉学科的发展。