弗莱贝格大学：受合成生物学启发制成智能材料系统

信息处理材料系统，图片来源：Wilfried Weber

所有的生命系统都是由单细胞到整个生物体的，而且他们皆以自己方式对外部刺激做出反应。近期，受合成生物学使用简单构建模块创建复杂响应系统的启发，弗莱贝格大学的研究人员设计了一种由蛋白质和聚合物组分制成的“智能”材料系统，其不仅可以感知信息而且还可以对信息做出相应的处理[Wagner et al., Materials Today(2018), https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.04.006]。

该研究的第一作者Hanna J. Wagner解释说：“我们利用合成生物学的原理和构件来赋予聚合物材料新的功能”。

Wilfried Weber领导的团队将生物混合材料进行了组装，使得其能够处理信息并检测酶或小分子等。该系统的构建始于特殊设计的蛋白质构建模块，这种模块具有传感、切换、传输或输出功能，且可与高分子材料结合使用。然后，这些材料单元相互连接，形成一个信号检测器和放大或正反馈系统，从而对外部刺激做出响应。

Wagner解释道：“例如，一种材料可以通过向另一种材料发送另一种信号来感知输入并作出反应，第二种材料可以再次感知和反应，但是这将取决于生物材料的设计。基于这一战略，材料系统可以“编程”以处理信息。”

该团队的初始系统基于固定在琼脂糖聚合物网络中的烟草蚀刻病毒蛋白酶构建体，其可以检测外部“输入”并将信号传递给第二种材料，从而进一步激活了正反馈环路中的第一种材料。 第二种材料释放出的一种红色荧光蛋白mCherry分子作为系统的输出。正反馈环路可增强输出信号，使系统对极低的浓度敏感。从用户的角度来看，当系统检测到酶或小分子（如抗生素）时，系统发出红光。

Wagner说：“这些合成生物学材料系统的一大优点是它们的多功能性。原则上，我们可以利用所有的合成生物部件将新功能整合到材料中，其中也包括了用于生物医学目的的治疗。

模块化方法允许材料以不同方式组合在一起以感测各种物理、化学或生物信号并有效的响应，例如放大信号、存储信息或释放药物或活性分子。

Wagner告诉Materials Today：“这是一种多功能的方法，可以为聚合物材料提供一套完整的新的功能和具有不同定制计算功能的工程材料系统。”

根据系统的目标，可以选择相应的电路功能，生物组件（受体，发射器和输出器）以及合适的聚合物。

原文来自materialstoday.原文题目：Synthetic biology inspires smart materials，由材料科技在线团队翻译整理。