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综述背景 随着生物材料研究领域的发展，人们对“可编程性”材料的研究越来越深入。可编程生物材料技术通过使用可调控的化学方法编码细胞代谢过程，使其成为具有特殊功能的合成细胞外基质(ECM)。然而，与天然生物材料(如原生ECM)相比，人工编程生物材料是相对静态的，细胞遵从程序设定传递信息(即从材料到细胞)。而原生ECM是高度动态的，可以通过细胞间的相互反馈不断进行修改。 可编程性是合成生物学的核心特征。可编程性通过启动子、诱导剂和修饰核酸的酶系统地引入基因修饰来实现的。随着DNA合成和组装技术、基因成分的标准化和自动化序列设计，合成生物学工具也从细菌细胞扩展到哺乳动物细胞，并成为一个新兴的研究领域。在这里，我们回顾了合成生物学和生物材料领域的现状，讨论了这一领域的最新工作，并展望了领域间交叉合作的可能性。 综述内容 合成生物学彻底改变了细胞代谢的研究方向。利用合成生物学我们能够编程细胞作为信息处理单元来感知各种输入(生物、化学或物理刺激)并产生离散的可操作输出(Figure 1a)。通过这种输入刺激所感知到的信息随后可以通过由基本计算操作和算法启发的合成网络进行处理。信息处理的能力从布尔代数到以CRISPR(有规律间隔的短回文重复序列的集束)为基础的网络，以记录和遗传方式存储顺序信息输入，或受控制理论启发的积分反馈控制器，在波动的环境中保持特定的生物设定点。细胞信息处理的概念可以扩展到由“化学线”连接的多细胞系统，以模块化的方式增加计算操作的复杂性。最后，这种信息处理的结果可以转化为所需的细胞输出，如细胞生长和分化，或合成从简单蛋白质到迄今为止无法获得的复杂小分子药物的各种产品。 1.2 无细胞生物学和合成细胞 1.3 具有新功能的合成受体 1.4 机器学习和实验室自动化在合成生物学中的应用 合成生物学即将实现生产率的巨大提高，因为“设计、建造、测试和学习”工程周期中的每一步都可以通过自动化技术实现(Figure 1d)。在电子电路设计中使用的抽象工具也促进了合成生物学的设计。例如，与人类研究者相比，机器人可以24小时无懈可打地工作，而且具有完美的重复性，这使研究人员可以把精力集中在更有创造性的工作上。微流体方法(借助3DμF25等设计工具)通过缩小所需试剂和实验占地面积，进一步提高了效率。此外，自动化工作流程可以通过机器学习算法进行探究和优化，例如，实现基因型到表型的预测，以优化酿酒酵母的色氨酸生产。
生物材料包括多种材料，钛或硅酮植入物、金属支架和塑料药物输送装置，以及水凝胶(水膨胀聚合物网络)。在本节中将重点讨论水凝胶，因为它们可以促进在三维空间中对细胞-生物材料的相互作用。水凝胶可以由完全合成的聚合物、来自自然来源的生物聚合物、ECM蛋白或其他多肽，甚至核酸形成。生物材料的关键传统应用包括药物传递、组织工程和再生医学领域，在时空控制的药物释放动力学、干细胞分化、增强伤口愈合和针对癌症的免疫系统重编程等方向具有应用价值。 在分子水平上，多肽工程和生物正交或光化学反应等新化学方法被应用于实现对生物材料的机械和生化特性的更精确控制(Figure 2a)。天然ECM和活组织不是简单的线性弹性材料，而是经历不可逆或塑性变形的非线性粘弹性系统，这为开发更复杂的力学行为提供了参考。例如，粘弹性可以通过结合动态或可逆的交联作用来实现，如金属配体配位、主-客体键、氢键、静电或疏水相互作用以及动态共价键，而静态共价键通常会产生弹性材料。这些交联方法可以与双网络方法相结合，以提供对水凝胶的力学行为或在细胞和生物医学应用中出现的信号的额外控制。刚度和粘弹性的变化会影响细胞的基本过程，包括细胞增殖、凋亡、迁移和分化，这使得这些参数在涉及细胞的任何应用中都至关重要。微米(或更大)长度尺度的材料工程也可以赋予对细胞和组织功能至关重要的机械性能。构成或被纳入生物材料的微米级弹性纤维，由于重新定向和排列，在张力下产生非线性应力-应变响应。此外，生物材料中通过生物打印、发泡或微凝胶退火形成的空隙可以控制孔隙率和整体力学性能，例如，这可能对结构的结构稳定性很重要，而不会改变细胞通过局部粘连所感受到的纳米级弹性。 动态和刺激响应材料可以在刚度、膨胀行为和三维结构方面按需设计(Figure 2b)。这些系统通常涉及材料内部交联的去除或构象变化，刺激包括外部施加的物理(如光、温度和磁场)或化学(如DNA、蛋白质和小生物分子)，来提供对生物材料性能的(时空)控制。最近的发展重点是显示出较大的按需刚度变化的水凝胶和共价交联的顺序去除和恢复策略。未来的挑战包括优化反应灵敏度(即通过与生物学相关的小线索实现大变化)和在单一生物材料中引入多个正交(和可逆)线索反应。这些进展将为整合控制电路(在合成生物学中广泛使用，但在生物材料中较少使用)来调节生物材料的功能奠定基础。 人体充满了多相生物材料，因为几乎每个组织都至少包含细胞、纤维蛋白和生物聚合物基质。这种多相生物材料复合材料具有多功能和动态特性。这类系统的最新进展是通过液-液相分离使蛋白质和其他分子缩合。液-液相分离主要是在理解基本细胞组织的背景下进行的研究，它已成为通过调整氨基酸序列来制造多相蛋白质生物材料的一个有趣的范式。液-液相分离材料是非结晶的，通过大量的非共价相互作用稳定使材料具有多尺度的结构。通过设计蛋白质和/或聚合物系统，选择性地在生物分子凝聚物中共定位多种成分，不仅是组织工程和药物输送的一个有前途的途径，也是合成生物学的一个重要途径。 生物材料的进一步发展既需要合成新的材料组合物，也需要在制造、加工、印刷和材料结构的组装方面取得进展。三维生物打印、多步光刻和立体光刻以及功能化的后处理都可以用于创建响应性或功能材料域的结构。这种分层材料所产生的各向异性响应将控制响应发生的位置，并可指导复杂的新响应，如形状变化。一些材料，特别是工程蛋白或DNA生物材料的一个关键挑战将是生产公斤级的材料，以便可以广泛大量使用。仿生聚合物的进展，即蛋白质样的自组装，是商业规模合成耐货架材料的一种有前途的替代方法。考虑到生物系统的整体复杂性和任何给定材料的多种特性，基于“组学”的方法(例如，“材料基因组”)与机器学习的集成将有助于为感兴趣的各种应用生成材料(Figure 2c)。例如，将具有广泛而详细输出的新型生物材料的高通量筛选与机器学习算法相结合，可以开发出用于制药应用的抗污染生物材料或聚合物。这些方法可以识别具有前所未有性能的材料，并能够更好地表征或工程化生物系统。
虽然合成生物学和生物材料在很大程度上已经发展成为独立的领域，但通过合成生物学可以开发新型具有独特的物理和化学结构的材料，以实现所需的功能和性能。例如，在计算设计的辅助下，可以利用点击化学将卷曲多肽组装成具有可控物理特性的纳米纤维。同样，DNA纳米技术也突破了分子可编程形状和功能的界限。将合成DNA与蛋白质和其他生物聚合物结合起来的混合系统能够建立起自下向上的等级结构，用于定制功能化材料。 细菌可用于生产天然蛋白质的工程变体，同时作为材料的组成部分，应用于细胞微环境工程到纳米线和自愈材料。例如，SpyTag-SpyCatcher反应蛋白可以被合并到细菌淀粉样卷曲系统中，从而导致产生的生物膜具有可调节的功能。工程蛋白还可以利用光响应蛋白来控制生物材料的特性，利用光从聚合水凝胶中释放附着的酶或生长因子。利用合成生物学生产有用的无机生物材料尚处于起步阶段，但在可持续建筑材料的背景下具有巨大潜力的领域。通过含有脲酶的生物矿化过程沉淀碳酸钙，是一种使用程序化细胞在原位生产生物混凝土材料的策略。经过基因工程改造的脲酶活性稍低的微生物产生了更大的方解石晶体，具有较高的模量，这表明利用合成生物学方法可以定制生物方解石的形态和材料特性。基于合成生物学的细胞代谢通路的重新设计可以被用来进一步放大自然生物矿化过程，或潜在地为无机物生产产生新的生物交叉利用途径。 工程多肽和蛋白质是具有可编程和动态功能和结构的创新材料模块化自下而上设计的基本构建模块。控制这些分子化学功能的稳定性、大小和空间结构，将使跨越纳米、微观到宏观尺度的层次结构得到明确表达。除了蛋白质，多糖或结合蛋白质、多糖、DNA和工程细胞的混合系统使多组分和分层结构材料系统的自下而上组装成为可能(Figure 3a)。例如，植物淀粉已经被用于生产可生物降解的生物塑料，但它们的广泛采用受到高成本和材料性能范围狭窄的限制。由于许多多糖的代谢途径已被很好地表征，控制分子量分布、糖组成和分支等特征的前景可能导致具有更广泛材料性能的生物衍生材料，并取代现有的石油化工衍生材料。 将合成生物学和生物材料结合的另一个研究方向是创造“活”材料，这种材料不仅可以指示细胞，而且反过来也可以由细胞调节，共同为材料提供功能。例如，在哺乳动物中，肌肉中的肌细胞将化学能转化为可逆的机械功，以响应电和化学刺激。设计由肌细胞活性驱动的活性致动器需要确定细胞形状和方向、细胞骨架组装和组织的材料，并能够与兴奋输入进行通信。除了修复或替换受伤的肌肉组织，这种材料还可以制造出柔软的生物机器人。 生物机体也能感知和反应生理信号，带有刺激性跨膜受体的细胞可诱导多种激活反应，包括分化和免疫调节。例如，研究人员设计了合成的Notch受体，使细胞在与特定的发送细胞配体接触时经历上皮到间充质的转变。此外，T细胞可以通过跨膜受体工程，在血管内皮生长因子的存在下聚集并产生细胞因子(白细胞介素-2)。在这些系统中，配体只诱导阳性反应，但带有刺激和抑制性跨膜受体的细胞将提供对工程活性材料有用的生物反馈。例如，嵌入带有刺激性配体的临时支架中的细胞可以分泌一种基质，用含有抑制性配体的新生材料取代支架来调节生产(Figure 3b)。最近的研究表明，细胞在生物材料中分泌代谢产物，并可以通过蛋白酶活性和机械力重塑某些生物材料，从而开发具有限愈合能力的再生组织，例如可以自我修复的砖块(Figure 3c)。 “活”材料的另一个概念是，系统可以像生命系统一样进化，其性能经过连续的选择、突变和放大。这种进化需要高通量的综合、表征和/或筛选，并使用机器学习方法来确定后续进化的目标。机器人化学合成和分离技术的进步为快速生成聚合材料提供了前所未有的机会。这些溶液化学方法得到了生物打印(提供了材料组成的空间控制)、生物模板合成和工程进化、选择和扩增方面的新进展的补充。然而，由于生物材料的特性空间很大，包括(时间相关的)物理、结构和生化参数，因此与配方和组成相关的特性库的开发仍然是一个重要的挑战。
展望 合成生物学和生物材料研究将继续作为独立的领域蓬勃发展，但两者之间的交叉将成为近期和中期研究努力的主要焦点，具有巨大的应用潜力。合成生物聚合物材料和细胞制造的一些概念已经被广泛应用，其中包括用微生物生产的重组蜘蛛丝蛋白生产纺织品、组织工程皮革和肉类、电子用无色聚酰亚胺和基于真菌菌丝体的刚性材料。这一领域的持续创新将使合成生物材料的大规模生产成为可能，这些合成生物材料将与现有材料(从塑料到混凝土)竞争或超越现有材料。合成生物学和生物材料的交叉研究可以在医学、生物技术和可持续性发展领域产生巨大贡献。 本文来源于纳在浙里 参考文献 Nat. Mater. 21, 390–397 (2022) DOI: 10.1038/s41563-022-01231-3 |
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