上海科技大学钟超等人系统介绍合成生物学及未来潜在应用

来源：iNature

合成生物学应用遗传工具来工程化活细胞和生物，类似于机器的编程。在材料合成生物学中，综合了合成生物学和材料科学的工程原理，将生命系统重新设计为具有新兴功能和可编程功能的动态响应材料。 

2020年12月23日，上海科技大学/中国科学院深圳先进技术研究院钟超及麻省理工学院Timothy K. Lu共同通讯在Nature Reviews Materials （IF=71）在线发表题为”Materials design by synthetic biology“的综述，该研究讨论了合成生物学工具，包括遗传回路，模型生物和设计参数，这些工具可用于构建智能生活材料。 

该综述也谈到研究无生命和有生命的自组织多功能材料，例如细胞内结构和工程化的生物膜，并研究混合生物材料的设计和应用，包括生物传感器，理疗和电子产品以及能量转换材料和生物建筑材料。最后，该综述考虑可编程生活材料的前景和挑战，并确定未来的潜在应用。

受生物启发的工程学（也称为仿生学）从自然界中丰富的形式和功能的多样性中汲取线索，并在各个规模和学科中得到应用。例如，可以使用人造积木，通过概括源自珍珠层，蜘蛛丝或壁虎脚趾的设计原理来创建功能材料。仿生方法在优化特定材料功能方面具有无限的潜力，因为合成建筑元件在机械性能方面可以胜过其天然类似物，并且易于大规模生产。

但是，模仿生物系统的响应能力和适应性仍然面临挑战，因为它通常需要复杂的，自上而下的制造工具，这些工具需要与单独的传感和驱动模块配合使用。活的生物利用进化的力量，基于通用构件，包括核酸，蛋白质和多糖，优化了多个子系统。因此，深入了解细胞，组织和有机体的细致结构和功能可以为生物学（或模仿生物学）指导的工程解决方案提供参考。

合成生物学旨在对生物系统进行编程以执行用户定义的功能。代替计算机代码，而是使用核酸或蛋白质序列作为脚本来指导生物系统从亚细胞到生物体的行为。工程原理，例如模块化设计，零件标准化和计算仿真，推动了合成生物学的快速发展。生物系统可以采用工程原理，将细胞转化为设计的生物机器。经过二十多年的密集工具开发，现在可以建立大规模遗传回路，执行涉及多个输入和输出的复杂决策过程。

用模型电路创建的复杂生物功能可以进一步通过人工功能进行修改。生物信息学的进步以及DNA测序和合成成本的下降，已经产生了从头开始的生物系统，该系统集成了传感，计算和记录功能以执行特定的任务。这些技术的应用范围从生物医学到农业。

合成生物学也将其影响扩展到材料科学和工程学。工程生物材料在许多领域都具有巨大潜力，包括医学，土木与环境工程，建筑和产品设计。活生物体通过其产生的生物材料不断与其周围环境相互作用。天然生物材料的特性与其生物学功能有关。例如，随着活生物体的生长和移动，它们会生成细胞外基质，细胞壁和其他生物聚合物，以适应特定的生理功能。在这些动态过程中，生物材料生产所需的时空信息被编码在基因组中。

因此，可以通过设计遗传环路来调节基因表达和具有良好时空控制的生物分子相互作用来指导生物材料的合成和性能。的确，合成生物学可用于产生几何图案并将新的功能引入模型生物材料系统，例如大肠杆菌生物膜。对更复杂生物中基因调控机制的见解进一步允许使用合成细胞间信号传递设计自组织多细胞结构，例如，用于哺乳动物细胞的不对称分化。

传统上，基因工程已被用于创建修饰或融合蛋白，这些蛋白可以被纯化并加工成基于蛋白质的材料。同样，新陈代谢工程技术允许合成可用作单体下游生产聚合材料的化学物质。然而，尽管这些材料是在细胞中工程化的，但它们并未充分利用活生物系统的特征。

在材料合成生物学中，设计器细胞和遗传环路用于设计功能材料。使用智能的可编程生物分子或细胞设备不仅可以提高复制和利用天然材料特性的能力，而且可以通过结合生物学衍生或启发性功能来改善人造材料。因此，合成生物学在材料设计上具有广阔的前景。但是，由于历史上合成生物学一直专注于生物医学，因此该领域仍未得到充分开发。此外，遗传环路的概念直到最近才在材料科学中引入，迄今为止，它主要应用于基因工程。

在这篇综述中，讨论了合成生物学和材料科学工具的集成，以开发自组织功能材料和混合生物材料。该综述重点介绍了它们的特定优势和挑战，并研究了材料合成生物学如何利用非模型生物系统来设计新材料和应用。该综述还将讨论活性生物分子或活细胞成分如何改善人造材料的性能，以及如何将它们用于构建具有可编程功能的活杂化复合材料。最后，该综述研究了材料合成生物学的优势和局限性，这些优势和局限性需要朝着实际应用的方向发展。