专访钟超丨合成生物技术推动传统生物材料学术

作者：杨超月

　　人类社会的发展与进步离不开各类材料的灵活使用。远到石器时代的石料木材，近到如今的钢筋水泥，不同材料的特性差异使它们在不同领域中各司其职。

　　通常情况下，人类依据物理性质的差异将传统材料划分成不同种类并加以应用。显而易见的是，人类生活和工业当中使用的材料自生产完成之后，其物理性质和固有形态再难改变。

　　与之不同的是，科学家们注意到，自然界中的很多天然生物材料具有自主和活体特性，例如人体骨骼具有自修复和自我再生的功能。那么，我们能否让传统惰性材料具备生物系统的动态和生命特征，以实现自我调节、自我修复、环境响应性以及长期可持续性等多样化需求？

　　建立在合成生物学的发展基础之上，研究人员或将在材料合成生物学领域中找到答案。当前，大量的材料合成生物学研究正在将天然生命体系的动态特征有效整合到传统材料中，使其能够实现自适应、自愈合和自增殖等特点。

　　“所有自然界的生物材料很大程度上受到基因驱动，并且可以根据基因的进化而重塑自身的性能。事实上，很多优异的性能正是通过适应环境而进化出来的，这些特性正在赋予仿生材料领域新的灵感。” 来自中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所（以下简称 “合成所”）的钟超博士介绍道。

图丨钟超（来源：受访者提供）

　　目前，钟超于合成所担任所长助理、材料合成生物学研究中心主任。作为材料合成生物学领域的领跑者，其先后获得国家杰出青年基金（2022-2026）、国家自然科学基金大科学装置联合基金（2020-2023）等重大科研项目，任国家重点研发计划合成生物学专项首席科学家，并获得国家重点人才引进计划青年专家、科学中国人年度人物等多项荣誉。已在 Nature Reviews Materials、Nature Nanotechnology、Nature Chemical Biology、Science Advances、Advanced Materials 等多个顶尖学术期刊发表论文 30 余篇。

　　钟超本科就读于天津大学，于 2009 年获得美国康奈尔大学博士学位后，曾先后在美国华盛顿大学（西雅图分校）和麻省理工学院合成生物学中心从事博士后工作。

　　2014 年，钟超回国后即在上海科技大学任课题组长和研究员，开展活体功能材料相关研究工作。自 2020 年 3 月来到深圳先进院合成所材料合成生物学中心任职。

　　可生长、自修复的活体功能材料

　　材料合成生物学是材料科学与合成生物学相互交叉碰撞的学科。2020 年，钟超团队和麻省理工学院的卢冠达团队共同发表论文，首次定义了这一新兴交叉领域的研究范畴：即综合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可编程和新兴功能的动态响应材料。

　　图丨合成生物学和材料合成生物学领域的主要进展（来源：Nature Reviews Materials）

　　“将合成生物学工具注入到细胞工厂并将其改造成为一个可编程材料开发平台，其好处在于，随着各种技术的发展，可以根据设计需要注入新的功能到平台上，从而制造出适用于各类应用场景的新型材料。” 钟超介绍道。

　　借助先进的合成生物学工具，近年来，活体功能材料（living functional materials）成为了该领域中的新兴研究方向。

　　活体功能材料是利用工程化的活体细胞组装而成，从而将活体细胞的自修复、自生长、特异性识别等特性融入材料并加以利用。

　　活体功能材料不仅能够完成传统材料的任务，同时还具备自修复以及通过工程改造适应不同应用场景的特点，且更加符合对于资源、环境的可持续性发展要求。

　　“实际上，这一新方向的很多设计灵感都来自于天然的生物材料体系。” 钟超介绍道，“比如我们熟知的骨骼或者贝壳类材料，都是细胞高度参与并形成的复合材料。这些天然生物材料能将生命系统的活体属性：包括快速生长能力、自修复能力和环境适应性等，与特定的材料性能完美结合，同时动态响应周围环境的变化，智能化调节材料性质。这些正是活体功能材料这一新兴研究方向最终期望实现的目标。”

　　活体材料方向的发展从生物被膜开始。2014 年，来自 MIT 的卢冠达团队发表论文，其利用工程化生物被膜 curli 体系（大肠杆菌淀粉样蛋白纤维）进行活材料的组装，该工作正式拉开了活体材料领域的序幕。

　　细菌生物被膜（Bacterial biofilm）：

　　细菌通过分泌多糖基质、纤维蛋白、脂质蛋白等，将自身包裹其中而形成的大量细菌聚集膜样物。

　　从物理性质上看，生物被膜可被视为一种嵌入了胶体颗粒的交联高分子凝胶复合体。胞外基质中的多糖与蛋白在缠结、氢键及正负电荷等相互作用下保证了生物被膜具备稳定的结构。

　　另一方面，作为细菌为适应自然环境所产生的有利于生存的生命现象，生物被膜可出现在包括自然、人工及宿主体内环境的任何生态系统，这就奠定了该类材料广泛应用的基础。