《自然》子刊:田、林宜良、高翔等 开发土壤仿生材料实现微生物功能调控

来源：生物世界2022-10-26 18336001

本文介绍了土壤仿生材料的合成和表征。作者证明了它作为微生物调控的动态响应材料平台的实用性。

在自然界中，不同类群的微生物在不同的环境中生长和定殖，如土壤微生物和肠道微生物。微生物与其定居环境(物质)之间的相互作用在生物地球化学系统物质循环、生态系统平衡和人类健康中起着重要作用。

通过自然界中材料与微生物的相互作用，近年来发展起来的材料与微生物人工杂化系统，利用材料实现对微生物的功能控制，赋予微生物细胞新的功能或活性，在人工光合作用、药物输送、CO2固定、微生物燃料电池、生命功能材料等领域显示出巨大的潜力。比如将高效吸收光能的半导体材料与微生物结合，将光合效率低的天然光合生物变为高效(从低效变为高效)，将不能利用光能的微生物变为利用光能为细胞内代谢提供能量(从能量变为能量)。然而，材料和微生物的人工杂交系统仍处于概念验证阶段。将非生物材料与生物系统结合并有效发挥其功能主要面临两大挑战：1)非生物材料(包括无机和有机材料)的生物相容性、稳定性和功能性较差，难以兼得；2)在物质-微生物界面的能量和物质转移和转化的机制是不清楚和低效的。如何构建能够高效调控微生物功能的材料和界面是该领域的核心问题。

2022年10月24日，一篇名为“一种土壤启发的微生物调控动态响应化学系统”的研究论文发表在《自然化学杂志》上。据报道，一种具有动态响应的土壤仿生材料与微生物相互作用，实现微生物活性的调控，有望应用于生物制造和肠道微生物相关疾病的治疗。

芝加哥大学田教授、林宜良教授为通讯作者，林宜良(现新加坡国立大学助理教授)、高翔(现深圳先进技术研究院合成生物学研究所副研究员)、岳继平、方音(现新加坡南洋理工大学助理教授)为论文第一、共同第一作者。

在自然界中，土壤是巨大微生物群落的栖息地，土壤孔隙中独特的微环境孕育了非常丰富的微生物群落和良好的物质-生物界面。受此启发，该团队设计并合成了一种新的压力响应化学系统，该系统由蒙脱石(一种天然土壤成分)、淀粉颗粒和液态金属组成。该系统的电导率动态响应于机械力、激光和化学溶剂。通过化学体系与微生物的相互作用，不仅可以在体外增强生物膜的生长，增加微生物合成化学物质的产量，还可以调节小鼠肠道菌群失调，修复和治疗肠道微生态。

2.土壤仿生材料具有动态响应和调控微生物功能。

土壤被认为是地球系统中最复杂、生物多样性最丰富的环境。目前已知每克土壤中的微生物数量可达数百亿，种类可达数百万种。因此，土壤和土壤微生物结合形成一个天然高效的混合界面，其中土壤颗粒含有矿物固体，形成高度多孔结构(空隙约占体积的50%)，其中所含的有机质和液体可随外界环境动态变化。土壤微生物都生活在孔隙中，与土壤有密切的相互作用。异质的土壤组成、独特的空间结构和动态响应特性为土壤微生物多样性提供了必要的条件。受此启发，研究小组推测，合成一种类似土壤的化学系统可以提供一种理想的材料——micr

研究团队设计的化学体系(土壤仿生材料)主要由蒙脱石(天然土壤组分，俗称观音土)、淀粉颗粒和液态金属组成，分别模拟天然土壤的矿物质、有机质和液态流动相。采用常用的多孔材料制备方法：冰模板法，通过冷冻、干燥、热压等步骤，自下而上合成。蒙脱石是土壤中的常见成分，淀粉颗粒和液态金属提供了天然土壤不具备的新功能。通过电镜成像，揭示了土壤仿生材料的多层孔隙结构，孔隙率约为54.6%。使用基于同步加速器的三维X射线荧光光谱(3D X射线荧光)和叠层衍射成像(PTYCHOPHOTOGRAPHY)进一步表征土壤仿生材料，发现材料形成多孔结构，液态金属颗粒(Ga和In)大小分布在10 nm到几微米之间，主要分布在矿物表面和孔隙内表面。通过红外光谱分析发现，材料中的淀粉颗粒在热压过程中会发生凝胶化，使淀粉颗粒在保持一定结构的同时形成空隙，并释放聚合物在矿物层间形成键，从而增加材料的力学性能和空隙空间。

图3。冰模板法合成多孔土壤仿生材料

on-com/20221009/ccaa083849fd4621865046a8b6930bcd.jpg"/>

图4. 多尺度表征技术证明多孔土壤仿生材料的合成

天然土壤的性质是随环境发生动态变化，研究团队进一步考察上述合成的材料是否也可以具备动态响应的能力，即通过合成后修饰的方法为材料增加新的功能。研究团队首先利用机械力在材料上压出一条凹痕，实现将不导电的材料变成导电；同样利用激光照射，对材料进行烧结，也可以使材料导电。推测机械力或激光照射对材料形成局部压力，迫使淀粉颗粒和矿物质表面的液态金属颗粒发生形变和重新分布，可以跨过空隙结构，形成连续的液态金属线路，从而具有导电性，这一过程，我们称为导电功能的 写入 ；进一步通过加入有机溶剂，又可以将导电的材料恢复成原始不导电，实现 擦除 。证实该材料可以动态响应外界物理或化学刺激实现在电学性能方面的 写入 和 擦除 。

图5. 土壤仿生材料的导电性对机械力、激光和化学溶剂动态响应性

研究团队进一步开展土壤仿生材料对微生物功能调控的研究。之前有研究表明微生物电信号调控枯草芽孢杆菌生物被膜的生长（Cell 168, 200 209 (2017).），因此研究团队利用经过激光处理前和后的材料培养生物被膜，发现处理后材料生物被膜生长面积比处理前提高了43%。另一个实验还发现该材料也可以促进大肠杆菌生长和合成乙酸的产量。最后，研究团队开展土壤仿生材料调控肠道微生物的研究，分别构建四环素诱导形成肠道菌群紊乱和葡聚糖硫酸钠诱导形成急性的溃疡性肠炎模型的小鼠，通过喂食土壤仿生材料可以显著恢复肠道菌群紊乱和治疗的效果。

图6. 土壤仿生材料促进微生物生长、恢复肠道微生态和治疗肠炎 总结与展望 这项工作介绍了土壤仿生材料合成和表征。作者证明了其作为微生物调节的动态响应材料平台的实用性。土壤仿生材料显示出作为胃肠道疾病疗法的前景，提出了现有技术的治疗替代方案。除了肠道微生物群之外，这种土壤仿生材料还可以扩展到其他微生物组的研究，例如皮肤和土壤微生物群，这将对人类健康产生影响，对农业生态系统的稳定性和生产力产生影响。

版权声明 本网站所有注明“来源：100医药网”或“来源：bioon”的文字、图片和音视频资料，版权均属于100医药网网站所有。非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，否则将追究法律责任。取得书面授权转载时，须注明“来源：100医药网”。其它来源的文章系转载文章，本网所有转载文章系出于传递更多信息之目的，转载内容不代表本站立场。不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

87%用户都在用100医药网APP 随时阅读、评论、分享交流 请扫描二维码下载->

医药网新闻