我校物质学院材料与物理生物学研究部钟超教授课题组利用前沿合成生物学技术，研发了一种经过基因编程改造的智能细菌。该细菌能响应环境比如光和小分子，并能像经过高精度编程的计算机程序一样，按人为预先设定的方式进行工作。在这项研究中，经基因编程的细菌，能够时空可控地对溶液中的无机纳米材料进行动态自组装。近日，该研究成果以“Programming Cells for Dynamic Assembly of Inorganic Nano-objects with Spatiotemporal Control”为题，在国际知名学术期刊《Advanced Materials》上在线发表。该论文的创新性和研究成果备受审稿人和编辑的肯定和推崇，不仅入选2018年4月第16期内封面文章，还被《Advanced Materials》编辑推荐在官方网站的视频摘要(video abstract)中进行重点介绍。
生物动态自组装在自然界中普遍存在，并构成了生物纳米机器以及很多自然材料系统的结构和功能基础。如骨和贝壳等自然材料系统就是在细胞的参与下，对有机和无机组分进行时空可控的动态自组装而形成。这些自然材料体系具备无与伦比的结构多级性，很多材料性能（比如机械性能）也远优于人工合成的材料。此外，这些动态自组装体系还具有过程自适应、环境响应和自我修复等特质。因此，将自然动态自组装体系整合嵌入合成自组装体系代表着一种新的自组装方法，该方法在创造新的材料和纳米结构方面蕴含着极大潜力，而这方面的交叉研究基本属于空白。
在这项工作中，为了挖掘自然动态自组装体系蕴含的潜力，实现其和合成的无机纳米材料的完美整合，钟超课题组利用合成生物学技术，对大肠杆菌的生物被膜淀粉样蛋白基因进行了改造。大肠杆菌生物被膜的主要成分是卷曲纤毛纤维，其主要成分是通过大肠杆菌分泌的CsgA蛋白亚基自组装而成。首先，课题组通过对大肠杆菌生物被膜CsgA蛋白分泌基因的改造，开发出光控（蓝光）调控CsgA蛋白表达和分泌的基因环路； 其二，通过对CsgA蛋白进行功能修饰，能让分泌的CsgA蛋白自动识别经有机小分子配体修饰的无机纳米材料。在光的诱导下，工程菌能吐出大量的CsgA功能蛋白，并在细胞周围自组装形成纳米纤维材料网络，由于生成的纳米纤维在很多界面都具有超强的粘附作用，因而细菌最终能对溶液中的无机纳米材料进行大规模、多尺度并按时空可控的方式在各种界面进行动态自组装。
该研究首先证明了单种和多种纳米颗粒在不同基底表面的动态、大规模、多尺度组装。蓝光光控基因线路的引入则可以控制纳米颗粒的空间布阵，布阵精度可达100μm。另外，通过控制纳米颗粒的添加顺序，还可以实现纳米物件的自动层层自组装。该团队提出的此项动态纳米物件自组装方法，在生物电子，光电器件，生物催化和可穿戴设备方面都具有潜在的应用价值。在示例应用当中，他们利用导电生物被膜制备了叉指电极阵列，并证明其可作为触碰开关装置。该纳米材料动态自组装方法还可用于创造活体功能材料，将无机体系的光电高效性和自然活体体系催化的高选择性结合起来，应用于人工光合作用体系。同时，本项研究也为合成生物学在材料和生物纳米技术上的应用提供了一个很好的范例。
该论文中，物质学院2015级博士生王新宇为第一作者，2017级博士生濮嘉华和安柏霖为共同第一作者，钟超为通讯作者，上科大为第一完成单位。物质学院宁志军教授课题组2016级博士生尚跃群参与了该项目，并在量子点的合成方面提供了指导和帮助。2014级本科生刘奕和2015级本科生巴方对该研究的样品拍摄提供了帮助。这项成果的取得体现了上科大强调交叉学科建设的重要性，也反映了上科大鼓励本科生勇于实践、积极参与科研活动的理念。
该研究得到了上海市科委基础研究重点项目（合成生物学专项）、上科大科研启动基金、上海“曙光学者计划”以及国家自然科学基金面上和联合基金等项目和基金的支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201870115
纳米物件的动态自组装（a），布阵（b）和层层自组装（c）
内封面：钟超及其合作者发表了基于工程细胞策略的论文，利用生物膜的动态自组装实现了无机纳米物件材料的模板化和时空间可控的自组装，其组装过程具备动态调控，环境自适应和多级复合的特性。通过感光基因元件和程序化的光照调节，细胞以空间可控的方式在基底的特定位置实现curli纤维的组装过程，由此实现量子点的布阵自组装，最小精度可达100μm。