專訪鐘超丨合成生物技術(shù)推動傳統(tǒng)生物材料學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)雙向發(fā)展：從材料的生物功能定制到動態(tài)活材料

通常情況下，人類依據(jù)物理性質(zhì)的差異將傳統(tǒng)材料劃分成不同種類并加以應(yīng)用。顯而易見的是，人類生活和工業(yè)當(dāng)中使用的材料自生產(chǎn)完成之后，其物理性質(zhì)和固有形態(tài)再難改變。
與之不同的是，科學(xué)家們注意到，自然界中的很多天然生物材料具有自主和活體特性，例如人體骨骼具有自修復(fù)和自我再生的功能。那么，我們能否讓傳統(tǒng)惰性材料具備生物系統(tǒng)的動態(tài)和生命特征，以實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)、環(huán)境響應(yīng)性以及長期可持續(xù)性等多樣化需求？
建立在合成生物學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)之上，研究人員或?qū)⒃诓牧虾铣缮飳W(xué)領(lǐng)域中找到答案。當(dāng)前，大量的材料合成生物學(xué)研究正在將天然生命體系的動態(tài)特征有效整合到傳統(tǒng)材料中，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)、自愈合和自增殖等特點(diǎn)。
“所有自然界的生物材料很大程度上受到基因驅(qū)動，并且可以根據(jù)基因的進(jìn)化而重塑自身的性能。事實(shí)上，很多優(yōu)異的性能正是通過適應(yīng)環(huán)境而進(jìn)化出來的，這些特性正在賦予仿生材料領(lǐng)域新的靈感?！?來自中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所（以下簡稱 “合成所”）的鐘超博士介紹道。
目前，鐘超于合成所擔(dān)任所長助理、材料合成生物學(xué)研究中心主任。作為材料合成生物學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，其先后獲得國家杰出青年基金（2022-2026）、國家自然科學(xué)基金大科學(xué)裝置聯(lián)合基金（2020-2023）等重大科研項(xiàng)目，任國家重點(diǎn)研發(fā)計劃合成生物學(xué)專項(xiàng)首席科學(xué)家，并獲得國家重點(diǎn)人才引進(jìn)計劃青年專家、科學(xué)中國人年度人物等多項(xiàng)榮譽(yù)。已在 Nature Reviews Materials、Nature Nanotechnology、Nature Chemical Biology、Science Advances、Advanced Materials 等多個頂尖學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文 30 余篇。
鐘超本科就讀于天津大學(xué)，于 2009 年獲得美國康奈爾大學(xué)博士學(xué)位后，曾先后在美國華盛頓大學(xué)（西雅圖分校）和麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)中心從事博士后工作。
2014 年，鐘超回國后即在上?？萍即髮W(xué)任課題組長和研究員，開展活體功能材料相關(guān)研究工作。自 2020 年 3 月來到深圳先進(jìn)院合成所材料合成生物學(xué)中心任職。可生長、自修復(fù)的活體功能材料

材料合成生物學(xué)是材料科學(xué)與合成生物學(xué)相互交叉碰撞的學(xué)科。2020 年，鐘超團(tuán)隊和麻省理工學(xué)院的盧冠達(dá)團(tuán)隊共同發(fā)表論文，首次定義了這一新興交叉領(lǐng)域的研究范疇：即綜合合成生物學(xué)和材料科學(xué)的工程原理，將生命系統(tǒng)重新設(shè)計為具有可編程和新興功能的動態(tài)響應(yīng)材料。
“將合成生物學(xué)工具注入到細(xì)胞工廠并將其改造成為一個可編程材料開發(fā)平臺，其好處在于，隨著各種技術(shù)的發(fā)展，可以根據(jù)設(shè)計需要注入新的功能到平臺上，從而制造出適用于各類應(yīng)用場景的新型材料?！?鐘超介紹道。
借助先進(jìn)的合成生物學(xué)工具，近年來，活體功能材料（living functional materials）成為了該領(lǐng)域中的新興研究方向。
活體功能材料是利用工程化的活體細(xì)胞組裝而成，從而將活體細(xì)胞的自修復(fù)、自生長、特異性識別等特性融入材料并加以利用。
活體功能材料不僅能夠完成傳統(tǒng)材料的任務(wù)，同時還具備自修復(fù)以及通過工程改造適應(yīng)不同應(yīng)用場景的特點(diǎn)，且更加符合對于資源、環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展要求。
“實(shí)際上，這一新方向的很多設(shè)計靈感都來自于天然的生物材料體系。” 鐘超介紹道，“比如我們熟知的骨骼或者貝殼類材料，都是細(xì)胞高度參與并形成的復(fù)合材料。這些天然生物材料能將生命系統(tǒng)的活體屬性：包括快速生長能力、自修復(fù)能力和環(huán)境適應(yīng)性等，與特定的材料性能完美結(jié)合，同時動態(tài)響應(yīng)周圍環(huán)境的變化，智能化調(diào)節(jié)材料性質(zhì)。這些正是活體功能材料這一新興研究方向最終期望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)?！?/span>
活體材料方向的發(fā)展從生物被膜開始。2014 年，來自 MIT 的盧冠達(dá)團(tuán)隊發(fā)表論文，其利用工程化生物被膜 curli 體系（大腸桿菌淀粉樣蛋白纖維）進(jìn)行活材料的組裝，該工作正式拉開了活體材料領(lǐng)域的序幕。

細(xì)菌生物被膜（Bacterial biofilm）：

細(xì)菌通過分泌多糖基質(zhì)、纖維蛋白、脂質(zhì)蛋白等，將自身包裹其中而形成的大量細(xì)菌聚集膜樣物。

比如近年來火熱的蛛絲蛋白研究等等，不僅是對傳統(tǒng)工業(yè)的革新，更將為實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的可持續(xù)目標(biāo)添磚加瓦?！?/span>
“其次是可定制化。合成生物學(xué)技術(shù)賦予了材料生物功能定制化的研究前景，通過加深對于基因?qū)用?、結(jié)構(gòu)與功能的理解，人們可以按需制造出適應(yīng)于各種不同環(huán)境的功能材料?！?/span>
以其在 2020 年發(fā)表的智能活體膠水研究為例。領(lǐng)域已開發(fā)的很多粘合材料其生物相容性和粘合性能達(dá)標(biāo)，但是無法兼顧特定場合的應(yīng)用需求（例如感知環(huán)境甚至是智能特征）。
借助合成生物學(xué)技術(shù)，鐘超團(tuán)隊利用工程改造的大腸桿菌作為宿主，將大腸桿菌生物被膜淀粉樣蛋白 CsgA 與海洋貽貝足絲蛋白 Mfp3S 進(jìn)行融合表達(dá)，并且在基因線路中整合藍(lán)光調(diào)控基因，使其在光控條件下能對特定缺陷位置進(jìn)行精準(zhǔn)修復(fù)。
“目前來說，智能活體膠水的應(yīng)用潛力將首先體現(xiàn)在兩個方向。” 鐘超介紹道，一方面可以通過設(shè)計基因線路馴化海洋中的微生物，賦予其油氣感知及粘合材料合成能力，將其制備成微型的 “智能機(jī)器人”，用于長時間的監(jiān)控并維護(hù)海底輸油管道。
另一方面則是在醫(yī)****領(lǐng)域，設(shè)計感知血液的活體膠水合成線路，經(jīng)過基因改造的細(xì)菌能夠自發(fā)尋找出血位置并且封堵出血傷口，未來或?qū)⒂糜谀c道慢性出血癥等疾病的治療。
經(jīng)過數(shù)年深耕，鐘超課題組旗下研究涵蓋了功能淀粉樣蛋白自組裝、活體功能材料和半導(dǎo)合成生物學(xué)等多個方向，同時致力于推進(jìn)活體材料在生物醫(yī)****、生物能源和生物電子等多個領(lǐng)域中的應(yīng)用。
2021 年 3 月，鐘超和大學(xué)同學(xué)崔俊鋒在深圳合作創(chuàng)立柏垠生物（PAM2L Biotechnologies），據(jù)鐘超介紹，該公司的首要目標(biāo)就是利用合成生物學(xué)技術(shù)開發(fā)生物基功能材料（包括上述提到的活材料）并推進(jìn)至產(chǎn)業(yè)化階段。
柏垠生物將首先進(jìn)入醫(yī)****和醫(yī)療器械領(lǐng)域?qū)で笸黄瓢l(fā)展。除此之外，還將在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域中開展應(yīng)用研究。目前，該公司已經(jīng)構(gòu)建起自然和人造蛋白材料基因信息 - 蛋白結(jié)構(gòu)域 - 功能對應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫，將人工智能與合成生物學(xué)緊密聯(lián)系起來。
當(dāng)前階段，盡管科學(xué)家已經(jīng)能夠以模塊化的方式在基因?qū)用嫔蠈罴?xì)胞進(jìn)行功能修飾和調(diào)控，但是涉及到將基因設(shè)計與技術(shù)原理應(yīng)用到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計及性能預(yù)期，這些工作仍處于起步階段。
鐘超介紹道，“如果要進(jìn)入應(yīng)用，還需要考慮到具體應(yīng)用場景中的實(shí)施難題，這種情況下，基于數(shù)據(jù)庫搜索并完成基因環(huán)路設(shè)計的方式能夠大大加快工作進(jìn)程。”
2021 年 12 月，柏垠生物完成了總額近 500 萬美元的天使輪融資，由五源資本獨(dú)家投資。五源資本先后投資過攜程、小米集團(tuán)、小鵬汽車、快手、商湯科技等知名企業(yè)。
當(dāng)前，柏垠生物的實(shí)驗(yàn)平臺和技術(shù)團(tuán)隊初具規(guī)模，在合成生物新材料研發(fā)和相關(guān)管線產(chǎn)品的研發(fā)工作已經(jīng)正式啟動，研發(fā)和中試新址建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)中。
“材料合成生物學(xué)的產(chǎn)能空間很大。” 鐘超表示，不僅在于醫(yī)療領(lǐng)域，從目前已有的研究已經(jīng)能夠看到，其對于太空探索、綠色能源和農(nóng)業(yè)以及新材料的發(fā)現(xiàn)具有普遍的促進(jìn)作用。
談及對于合成生物學(xué)未來的發(fā)展，鐘超認(rèn)為：“很多人把合成生物學(xué)看成一門工程學(xué)科，但是其實(shí)隨著基因編輯以及復(fù)雜基因線路技術(shù)等逐步發(fā)展，人們也可以利用合成生物工具探索生命運(yùn)作的機(jī)制，并對生命的奧秘有更深入的理解。所以從另一個角度來說，合成生物學(xué)也將助力基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，它有很多的可能性。”
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