新系統能將生物膜改造成生物材料工厂

美國哈佛大學韋斯仿生工程研究所的一個研究小組近日開發出一種新系統，能把生物膜改造成生產並修復納米材料的新平台，將來可用於污水處理、制藥、新型紡織等眾多領域。相關論文發表在最新一期《自然·通訊》雜志上。

生物膜是細菌及其細胞外物質組成的群落，雖然粘滑卻極堅固，胞外物質由糖、蛋白質、基因材料及其他物質組成。在生物膜形成期間，細菌會分泌出蛋白質，在細胞外自行組裝，生成纏結在一起的纖維網絡，並把細胞粘在一起，形成一個群落，讓細菌待在這個“大家庭”裡更安全。

“現在大部分研究集中在怎樣除掉生物膜，而我們証明可以改造它們，讓它們形成特定數量，用於特殊用途。”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胞外物質轉變為一種能自我復制產品的平台，迅速生產出想要的任何材料。

研究小組開發出一種叫做BIND（連接）的蛋白質工程系統。據每日科學網9月17日報道，他們通過基因技術把具有特殊功能，如能粘附鋼鐵的蛋白融合在一種叫做CsgA的小蛋白上，CsgA由大腸杆菌生成，由此大腸杆菌分泌的CsgA也就有了這種粘附本領，自行組裝成超堅固的蛋白質——澱粉質納米纖維，也能粘附在鋼鐵上。澱粉質蛋白是讓“連接”變堅固的基本物質，能自發組成纖維，按重量計算，其強度比鋼鐵更高，比絲綢更堅硬。

“這種方法用途廣泛。”喬希說。他們還証明了能把12種不同的蛋白質融合到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，他們能用這種技術來表現任何蛋白質序列——這些蛋白質執行一系列功能：結合外來粒子、實現化學反應、傳輸信號、提供結構支撐、運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計到生物膜中，還能結合起來產生多功能生物膜。

利用“連接”系統，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，大批量生產生物材料，並讓這些材料擁有現有材料所沒有的功能。“如果生物膜受損，會再生如初，因為它們是活的組織。”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”的概念並不新鮮，但以往只是生產可溶分子，如藥物或燃料，用在材料科學中還是首次。喬希說：“本質上，我們是把細胞改編成‘建造工廠’，不僅生產作為‘基本磚塊’的原材料，還負責設計組裝，把這些‘磚塊’建造成更高級的結構，並隨時維護修理。”