物质学院钟超课题组开发出基于细菌生物被膜的活体胶水

我校物质学院材料与物理生物学研究部钟超教授课题组在利用细菌生物被膜开发活体粘合材料方面取得重要进展。北京时间2019年1月20日，相关成果以“Engineered Bacillus subtilis biofilms as living glues”为题，在国际著名材料期刊《Materials Today》（为“今日材料”系列期刊的旗舰刊，旨在出版对材料科学领域具有广泛兴趣的前沿、创新、高影响力论文）上在线发表。

粘合材料尤其是水下粘合材料，作为一种先进的功能材料，在生物医药和海洋工业等多领域（例如，伤口愈合、下水管道涂层、船舶修复等）均有极其重要的应用。许多海洋生物如藤壶、贻贝、沙塔蠕虫等能分泌具有较强水下粘性的粘合蛋白，为开发仿生粘合材料提供了灵感与思路。近年来，尽管仿生粘合材料已取得诸多进展，但与自然界海洋生物粘合剂相比，仍缺乏自我修复性、动态可调性、响应环境性等“活体”特征。此外，自然界粘合蛋白组份与功能的多样性，也是目前仿生粘合材料（大部分建立在模拟粘合蛋白分子的单一特征上的仿生材料）所不能比拟的。

由此，钟超课题组基于合成生物学与材料科学的交叉学科思想，首次提出了基于枯草芽孢杆菌生物被膜来构建活体粘合胶水的新思路。细菌生物被膜通常由细菌及其胞外分泌物质（如蛋白质、多糖、DNA）组成。枯草芽孢杆菌的生物被膜基质中则主要含有淀粉样蛋白TasA、胞外多糖EPS以及表面疏水蛋白BslA等。结合自然界海洋生物的水下粘合特征，例如淀粉样蛋白结构（存在于藤壶粘性蛋白），多巴分子（存在于贻贝粘性足丝蛋白）以及金属离子促进的内在交联结构（存在于沙塔蠕虫中），研究人员采用基因工程的手段，构建了基于TasA和BslA的融合粘性蛋白TasA-Mefp5与BslA-Mfp3Sp，可分别提供内在粘性和界面粘性能力。为解决原核生物不能翻译后修饰的问题，研究人员通过引入表达质粒，让细菌表达酪氨酸酶来催化酪氨酸成为多巴分子。此外，研究人员还利用多糖分子的聚阴离子特性，加入Fe³⁺或其他金属离子溶液促成EPS-Fe³⁺的交联结构，从而进一步增加了生物被膜的内在粘性。

进一步研究发现，整合上述所有粘性设计特征的生物被膜粘性强度最高，且抵抗外界恶劣环境破坏（如活性剂，变性剂等）的能力最强。此外，整合所有粘性特征的生物被膜，其形貌、亲疏水性以及粘性强度在接种传代之后仍保持大致不变，这也充分证明了枯草芽孢杆菌生物被膜可作为工程活体粘合材料的较好平台。进一步测试表明，该活体粘合材料在金属、玻璃以及不同高分子表面（如PET）均具有较好的水下粘合能力。

本研究充分利用了活体生物被膜的组成优势，通过基因工程实现微生物基因改造，巧妙地融入自然界海洋生物的不同粘合特征，从而得到粘性可调的生物被膜粘合材料。由于枯草芽孢杆菌通常被认为是一种安全性的菌株（Generally Recognized as Safe，GRAS），因此，基于枯草芽孢杆菌的活体粘合胶水在生物医药、微生物治疗等方面具有潜在的应用前景。与本论文相关的知识产权工作已申请中国和国际专利（CN/201810519230.7和PCT/CN2018/121947)。

近年来，生物被膜已被当成一种具有活体特征的功能材料（living functional materials）来开发，表现出很多传统材料不具备的性能，如可基因编程、多功能、环境响应、自适应性以及可进化等。钟超课题组早前已证明，利用基因工程的光感应大肠杆菌生物被膜，可将溶液中悬浮的无机纳米颗粒按预先设定的方式有序地组装，形成图案化有序无机纳米颗排布，并实现相应的电子装置（http://www.shanghaitech.edu.cn/2018/0425/c1001a22039/page.htm）。相关成果发表在《先进材料》杂志(Advanced Materials)上。此外，为了弥补大肠杆菌自身的蛋白分泌能力不足以及潜在的安全性等问题，钟超课题组最近还开发了基于枯草芽孢杆菌生物被膜的平台，利用TasA淀粉样蛋白融合表达一系列大分子量蛋白或短肽，实现了环境修复、酶催化等功能，极大地推动了基于枯草芽孢杆菌生物被膜活体材料的研究及应用(http://www.shanghaitech.edu.cn/2018/1204/c1001a36604/page.htm)，相关成果发表在《自然化学生物》(Nature Chemical Biology)杂志上。本研究则是课题组在已开发的可编程枯草芽孢杆菌生物被膜活体材料平台基础上，利用合成生物学技术在仿生粘合材料领域进行的一项大胆前沿的创新工作。

本文第一作者为2015级硕士生张琛、物质学院助理研究员黄娇芳博士、2017级硕士生张继聪。通讯作者为钟超，上科大为第一完成单位。该研究得到了上海市科委-基础研究重点项目（合成生物学专项）、国家自然科学基金、青岛海洋科学与技术国家实验室-2016年度开放基金、上科大科研启动基金等项目的支持。

研究过程中，得到了中科院上海应物所樊春海教授（现上海交通大学）以及美国麻省理工学院Timothy K. Lu教授及课题组成员的帮助；研究中的原始菌株来自美国印第安纳大学D.Kearns课题组的馈赠支持；所涉扫描电镜和透射电镜及粘性材料表征等，得到上科大物质学院分析测试平台和电镜中心的帮助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.12.039

图1 自然界海洋生物灵感的活体生物被膜粘合材料

图2 整合型生物被膜活体粘合材料的设计与力学表征