美國哈佛大學(xué)韋斯仿生工程研究所的一個研究小組近日開發(fā)出一種新系統(tǒng)，能把生物膜改造成生產(chǎn)并修復(fù)納米材料的新平臺，將來可用于污水處理、制藥、新型紡織等眾多領(lǐng)域。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然·通訊》雜志上。

生物膜是細(xì)菌及其細(xì)胞外物質(zhì)組成的群落，雖然粘滑卻極堅(jiān)固，胞外物質(zhì)由糖、蛋白質(zhì)、基因材料及其他物質(zhì)組成。在生物膜形成期間，細(xì)菌會分泌出蛋白質(zhì)，在細(xì)胞外自行組裝，生成纏結(jié)在一起的纖維網(wǎng)絡(luò)，并把細(xì)胞粘在一起，形成一個群落，讓細(xì)菌待在這個“大家庭”里更安全。

“現(xiàn)在大部分研究集中在怎樣除掉生物膜，而我們證明可以改造它們，讓它們形成特定數(shù)量，用于特殊用途。”論文作者、韋斯研究所中心系成員奈爾·喬希說。他們的做法是把生物膜的細(xì)胞外物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N能自我復(fù)制產(chǎn)品的平臺，迅速生產(chǎn)出想要的任何材料。

研究小組開發(fā)出一種叫做BIND（連接）的蛋白質(zhì)工程系統(tǒng)。據(jù)每日科學(xué)網(wǎng)9月17日報(bào)道，他們通過基因技術(shù)把具有特殊功能，如能粘附鋼鐵的蛋白融合在一種叫做CsgA的小蛋白上，CsgA由大腸桿菌生成，由此大腸桿菌分泌的CsgA也就有了這種粘附本領(lǐng)，自行組裝成超堅(jiān)固的蛋白質(zhì)——淀粉質(zhì)納米纖維，也能粘附在鋼鐵上。淀粉質(zhì)蛋白是讓“連接”變堅(jiān)固的基本物質(zhì)，能自發(fā)組成纖維，按重量計(jì)算，其強(qiáng)度比鋼鐵更高，比絲綢更堅(jiān)硬。

“這種方法用途廣泛。”喬希說。他們還證明了能把12種不同的蛋白質(zhì)融合到CsgA蛋白上，排列方式和長度豐富多樣，這意味著至少在理論上，他們能用這種技術(shù)來表現(xiàn)任何蛋白質(zhì)序列——這些蛋白質(zhì)執(zhí)行一系列功能：結(jié)合外來粒子、實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)、傳輸信號、提供結(jié)構(gòu)支撐、運(yùn)輸或存儲特定分子等等。他們不僅能把這些功能一個一個地設(shè)計(jì)到生物膜中，還能結(jié)合起來產(chǎn)生多功能生物膜。

利用“連接”系統(tǒng)，能開一個“生物膜-合成納米纖維展覽”。生物膜將是未來的生物制造廠，大批量生產(chǎn)生物材料，并讓這些材料擁有現(xiàn)有材料所沒有的功能。“如果生物膜受損，會再生如初，因?yàn)樗鼈兪腔畹慕M織。”論文第一作者、韋斯研究所博士后皮特·納古恩說。

“微生物工廠”的概念并不新鮮，但以往只是生產(chǎn)可溶分子，如藥物或燃料，用在材料科學(xué)中還是首次。喬希說：“本質(zhì)上，我們是把細(xì)胞改編成‘建造工廠’，不僅生產(chǎn)作為‘基本磚塊’的原材料，還負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)組裝，把這些‘磚塊’建造成更高級的結(jié)構(gòu)，并隨時維護(hù)修理。”

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