2023年8月7日，美国加州大学的研究人员在《Nature Communications》上发表题为Phenotypically complex living materials containing engineered cyanobacteria 的研究论文，报道了使用3D打印技术制备了一种蓝藻生物复合材料，该材料能够响应外部化学刺激以产生多种功能输出。
//doi.org/10.1038/s41467-023-40265-2
研究简介
工程生物材料领域位于材料科学和合成生物学的交叉点，其目标在于开发能够感知和响应环境的材料。本文使用3D打印技术制备了一种蓝藻生物复合材料，该材料能够响应外部化学刺激以产生多种功能输出，并展示了利用增材制造技术控制合成光合材料形状的优势。作为概念的初步证明，合成的核糖开关用于调节水凝胶基质中长聚球菌PCC 7942中黄色荧光蛋白报告蛋白的表达。随后，一株S.拉长酶被改造成一种氧化漆酶。当在水凝胶基质中打印时，反应性生物材料可以脱色常见的纺织染料污染物靛蓝胭脂红，这有可能作为环境生物修复的工具。最后，团队人员对细胞进行工程改造，使其在不再需要活性时诱导细胞死亡并消除它们的存在，这是生物控制并最小化环境影响的重要功能。通过在体积3D打印设计中整合基因工程刺激响应蓝藻，本研究展示了能够产生功能输出的可编程光合生物复合材料，其功能包括但不限于生物修复。
图1 本研究中使用的利用工程细菌创造刺激反应活性材料的示意图。
图2 水凝胶中的细胞活力。
图3 含有RiboF-YFP+菌株的水凝胶可诱导YFP荧光。
图4 含有漆酶-核糖核酸裂解菌株的水凝胶具有增强的氧化活性。
图5 菌株漆酶+-riboF-Lysis+诱导细胞死亡。
研究结论
本研究优化了基于海藻酸盐的水凝胶的组成，用于3D打印和蓝藻S. elongatus的生存能力，并设计了几种蓝藻菌株，使其在嵌入水凝胶时对刺激做出反应并产生功能输出。在此之前用蓝藻作为生物成分构建的水凝胶仅限于野生型菌株。团队利用合成生物学的遗传工具包来生产具有功能输出和定制调节电路的光合工程生物材料（ELM）。利用核糖开关调节活材料内的基因表达，产生具有染料脱色和诱导细胞死亡能力的刺激反应材料，以防止细胞在环境中受到污染。本文提出的ELM作为工程概念的证明，并将蓝藻结合到聚合物基质中，以生产具有实际实用功能输出的刺激响应材料。利用蓝藻作为生物成分，这些ELM基本上只依赖光，CO2作为碳源，和最小的营养物质生存。虽然本文展示的生物复合材料仅被设计用于生物修复，但蓝藻ELM的功能输出可以被设计成具有广泛的应用。
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