人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展與進(jìn)步離不開(kāi)各類(lèi)材料的靈活使用。遠到石器時(shí)代的石料木材，近到如今的鋼筋水泥，不同材料的特性差異使它們在不同領(lǐng)域中各司其職。
通常情況下，人類(lèi)依據物理性質(zhì)的差異將傳統材料劃分成不同種類(lèi)并加以應用。顯而易見(jiàn)的是，人類(lèi)生活和工業(yè)當中使用的材料自生產(chǎn)完成之后，其物理性質(zhì)和固有形態(tài)再難改變。
與之不同的是，科學(xué)家們注意到，自然界中的很多天然生物材料具有自主和活體特性，例如人體骨骼具有自修復和自我再生的功能。那么，我們能否讓傳統惰性材料具備生物系統的動(dòng)態(tài)和生命特征，以實(shí)現自我調節、自我修復、環(huán)境響應性以及長(cháng)期可持續性等多樣化需求？
建立在合成生物學(xué)的發(fā)展基礎之上，研究人員或將在材料合成生物學(xué)領(lǐng)域中找到答案。當前，大量的材料合成生物學(xué)研究正在將天然生命體系的動(dòng)態(tài)特征有效整合到傳統材料中，使其能夠實(shí)現自適應、自愈合和自增殖等特點(diǎn)。
“所有自然界的生物材料很大程度上受到基因驅動(dòng)，并且可以根據基因的進(jìn)化而重塑自身的性能。事實(shí)上，很多優(yōu)異的性能正是通過(guò)適應環(huán)境而進(jìn)化出來(lái)的，這些特性正在賦予仿生材料領(lǐng)域新的靈感?！?來(lái)自中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng) “合成所”）的鐘超博士介紹道。
圖丨鐘超（來(lái)源：受訪(fǎng)者提供）
目前，鐘超于合成所擔任所長(cháng)助理、材料合成生物學(xué)研究中心主任。作為材料合成生物學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，其先后獲得國家杰出青年基金（2022-2026）、國家自然科學(xué)基金大科學(xué)裝置聯(lián)合基金（2020-2023）等重大科研項目，任國家重點(diǎn)研發(fā)計劃合成生物學(xué)專(zhuān)項首席科學(xué)家，并獲得國家重點(diǎn)人才引進(jìn)計劃青年專(zhuān)家、科學(xué)中國人年度人物等多項榮譽(yù)。已在 Nature Reviews Materials、Nature Nanotechnology、Nature Chemical Biology、Science Advances、Advanced Materials 等多個(gè)頂尖學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文 30 余篇。
鐘超本科就讀于天津大學(xué)，于 2009 年獲得美國康奈爾大學(xué)博士學(xué)位后，曾先后在美國華盛頓大學(xué)（西雅圖分校）和麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)中心從事博士后工作。
2014 年，鐘超回國后即在上?？萍即髮W(xué)任課題組長(cháng)和研究員，開(kāi)展活體功能材料相關(guān)研究工作。自 2020 年 3 月來(lái)到深圳先進(jìn)院合成所材料合成生物學(xué)中心任職。
可生長(cháng)、自修復的活體功能材料
材料合成生物學(xué)是材料科學(xué)與合成生物學(xué)相互交叉碰撞的學(xué)科。2020 年，鐘超團隊和麻省理工學(xué)院的盧冠達團隊共同發(fā)表論文，首次定義了這一新興交叉領(lǐng)域的研究范疇：即綜合合成生物學(xué)和材料科學(xué)的工程原理，將生命系統重新設計為具有可編程和新興功能的動(dòng)態(tài)響應材料。
圖丨合成生物學(xué)和材料合成生物學(xué)領(lǐng)域的主要進(jìn)展（來(lái)源：Nature Reviews Materials）
“將合成生物學(xué)工具注入到細胞工廠(chǎng)并將其改造成為一個(gè)可編程材料開(kāi)發(fā)平臺，其好處在于，隨著(zhù)各種技術(shù)的發(fā)展，可以根據設計需要注入新的功能到平臺上，從而制造出適用于各類(lèi)應用場(chǎng)景的新型材料?！?鐘超介紹道。
借助先進(jìn)的合成生物學(xué)工具，近年來(lái)，活體功能材料（living functional materials）成為了該領(lǐng)域中的新興研究方向。
活體功能材料是利用工程化的活體細胞組裝而成，從而將活體細胞的自修復、自生長(cháng)、特異性識別等特性融入材料并加以利用。
活體功能材料不僅能夠完成傳統材料的任務(wù)，同時(shí)還具備自修復以及通過(guò)工程改造適應不同應用場(chǎng)景的特點(diǎn)，且更加符合對于資源、環(huán)境的可持續性發(fā)展要求。
“實(shí)際上，這一新方向的很多設計靈感都來(lái)自于天然的生物材料體系?！?鐘超介紹道，“比如我們熟知的骨骼或者貝殼類(lèi)材料，都是細胞高度參與并形成的復合材料。這些天然生物材料能將生命系統的活體屬性：包括快速生長(cháng)能力、自修復能力和環(huán)境適應性等，與特定的材料性能完美結合，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應周?chē)h(huán)境的變化，智能化調節材料性質(zhì)。這些正是活體功能材料這一新興研究方向最終期望實(shí)現的目標?！?br/>活體材料方向的發(fā)展從生物被膜開(kāi)始。2014 年，來(lái)自 MIT 的盧冠達團隊發(fā)表論文，其利用工程化生物被膜 curli 體系（大腸桿菌淀粉樣蛋白纖維）進(jìn)行活材料的組裝，該工作正式拉開(kāi)了活體材料領(lǐng)域的序幕。
從物理性質(zhì)上看，生物被膜可被視為一種嵌入了膠體顆粒的交聯(lián)高分子凝膠復合體。胞外基質(zhì)中的多糖與蛋白在纏結、氫鍵及正負電荷等相互作用下保證了生物被膜具備穩定的結構。
另一方面，作為細菌為適應自然環(huán)境所產(chǎn)生的有利于生存的生命現象，生物被膜可出現在包括自然、人工及宿主體內環(huán)境的任何生態(tài)系統，這就奠定了該類(lèi)材料廣泛應用的基礎。
圖丨 curli 形成的分子機制（來(lái)源：合成生物學(xué)）
2019 年，鐘超課題組利用胞外分泌表達 curli 以及胞內誘導表達 CsgA 兩種方式，通過(guò)后處理提純出各種功能可編輯的 CsgA 單體，在體外組裝形成陣列材料。這種陣列制造技術(shù)在生物芯片、高通量生物傳感器等領(lǐng)域具備應用潛力。
同年，其團隊在大腸桿菌生物被膜的研究基礎上進(jìn)一步擴展，開(kāi)發(fā)了基于枯草芽孢桿菌生物被膜的可編程、可 3D 打印的活體功能材料。研究人員以枯草芽孢桿菌生物被膜作為活體平臺，在其中整合藤壺、貽貝以及沙塔蠕蟲(chóng)等海洋生物的多種粘合特征，首次證明了細菌活體膠水的可行性。
發(fā)展至今，鐘超及其課題組在各項早期研究的基礎上進(jìn)一步拓展，深入探索了活體功能材料用于醫學(xué)領(lǐng)域（骨修復和癌癥診療）、環(huán)境污染修復以及自修復建筑材料等諸多方向應用的可能。
可持續、可定制化是活體材料的主要優(yōu)勢
近年來(lái)，國內外多項研究證明，活體功能材料能夠突破常規生物聚合物和生物材料的制造法則。通過(guò)更全面的探索生物學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域，更多具有生物特性的材料正在逐漸打破人們的想象。
談及合成生物學(xué)對于傳統材料科學(xué)的影響，鐘超博士深有感觸。
“首先在于可持續性，不僅是材料的可持續性，還包括生產(chǎn)過(guò)程以及環(huán)境的可持續性。比如近年來(lái)火熱的蛛絲蛋白研究等等，不僅是對傳統工業(yè)的革新，更將為實(shí)現碳中和、碳達峰的可持續目標添磚加瓦?！?br/>“其次是可定制化。合成生物學(xué)技術(shù)賦予了材料生物功能定制化的研究前景，通過(guò)加深對于基因層面、結構與功能的理解，人們可以按需制造出適應于各種不同環(huán)境的功能材料?！?br/>以其在 2020 年發(fā)表的智能活體膠水研究為例。領(lǐng)域已開(kāi)發(fā)的很多粘合材料其生物相容性和粘合性能達標，但是無(wú)法兼顧特定場(chǎng)合的應用需求（例如感知環(huán)境甚至是智能特征）。
借助合成生物學(xué)技術(shù)，鐘超團隊利用工程改造的大腸桿菌作為宿主，將大腸桿菌生物被膜淀粉樣蛋白 CsgA 與海洋貽貝足絲蛋白 Mfp3S 進(jìn)行融合表達，并且在基因線(xiàn)路中整合藍光調控基因，使其在光控條件下能對特定缺陷位置進(jìn)行精準修復。
圖丨智能活體粘合材料示意圖（來(lái)源：Matter）
“目前來(lái)說(shuō)，智能活體膠水的應用潛力將首先體現在兩個(gè)方向?！?鐘超介紹道，一方面可以通過(guò)設計基因線(xiàn)路馴化海洋中的微生物，賦予其油氣感知及粘合材料合成能力，將其制備成微型的 “智能機器人”，用于長(cháng)時(shí)間的監控并維護海底輸油管道。
圖丨運用 “活體” 膠水自主修復海底輸油管道
另一方面則是在醫藥領(lǐng)域，設計感知血液的活體膠水合成線(xiàn)路，經(jīng)過(guò)基因改造的細菌能夠自發(fā)尋找出血位置并且封堵出血傷口，未來(lái)或將用于腸道慢性出血癥等疾病的治療。
經(jīng)過(guò)數年深耕，鐘超課題組旗下研究涵蓋了功能淀粉樣蛋白自組裝、活體功能材料和半導合成生物學(xué)等多個(gè)方向，同時(shí)致力于推進(jìn)活體材料在生物醫藥、生物能源和生物電子等多個(gè)領(lǐng)域中的應用。
2021 年 3 月，鐘超和大學(xué)同學(xué)崔俊鋒在深圳合作創(chuàng )立柏垠生物（PAM2L Biotechnologies），據鐘超介紹，該公司的首要目標就是利用合成生物學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)生物基功能材料（包括上述提到的活材料）并推進(jìn)至產(chǎn)業(yè)化階段。
柏垠生物將首先進(jìn)入醫藥和醫療器械領(lǐng)域尋求突破發(fā)展。除此之外，還將在傳統工業(yè)領(lǐng)域中開(kāi)展應用研究。目前，該公司已經(jīng)構建起自然和人造蛋白材料基因信息 - 蛋白結構域 - 功能對應的相關(guān)數據庫，將人工智能與合成生物學(xué)緊密聯(lián)系起來(lái)。
當前階段，盡管科學(xué)家已經(jīng)能夠以模塊化的方式在基因層面上對活細胞進(jìn)行功能修飾和調控，但是涉及到將基因設計與技術(shù)原理應用到復雜結構的材料設計及性能預期，這些工作仍處于起步階段。
鐘超介紹道，“如果要進(jìn)入應用，還需要考慮到具體應用場(chǎng)景中的實(shí)施難題，這種情況下，基于數據庫搜索并完成基因環(huán)路設計的方式能夠大大加快工作進(jìn)程?！?br/>2021 年 12 月，柏垠生物完成了總額近 500 萬(wàn)美元的天使輪融資，由五源資本獨家投資。五源資本先后投資過(guò)攜程、小米集團、小鵬汽車(chē)、快手、商湯科技等知名企業(yè)。
當前，柏垠生物的實(shí)驗平臺和技術(shù)團隊初具規模，在合成生物新材料研發(fā)和相關(guān)管線(xiàn)產(chǎn)品的研發(fā)工作已經(jīng)正式啟動(dòng)，研發(fā)和中試新址建設穩步推進(jìn)中。
“材料合成生物學(xué)的產(chǎn)能空間很大?！?nbsp;鐘超表示，不僅在于醫療領(lǐng)域，從目前已有的研究已經(jīng)能夠看到，其對于太空探索、綠色能源和農業(yè)以及新材料的發(fā)現具有普遍的促進(jìn)作用。
談及對于合成生物學(xué)未來(lái)的發(fā)展，鐘超認為：“很多人把合成生物學(xué)看成一門(mén)工程學(xué)科，但是其實(shí)隨著(zhù)基因編輯以及復雜基因線(xiàn)路技術(shù)等逐步發(fā)展，人們也可以利用合成生物工具探索生命運作的機制，并對生命的奧秘有更深入的理解。所以從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，合成生物學(xué)也將助力基礎學(xué)科的發(fā)展，它有很多的可能性?！?/p>