專訪鐘超丨合成生物技術推動傳統生物材料學術和產業雙向發展：從材料的生物功能定制到動態活材料
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通常情況下，人類依據物理性質的差異將傳統材料劃分成不同種類并加以應用。顯而易見的是，人類生活和工業當中使用的材料自生產完成之后，其物理性質和固有形態再難改變。
與之不同的是，科學家們注意到，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和自我再生的功能。那么，我們能否讓傳統惰性材料具備生物系統的動態和生命特征，以實現自我調節、自我修復、環境響應性以及長期可持續性等多樣化需求？
建立在合成生物學的發展基礎之上，研究人員或將在材料合成生物學領域中找到答案。當前，大量的材料合成生物學研究正在將天然生命體系的動態特征有效整合到傳統材料中，使其能夠實現自適應、自愈合和自增殖等特點。
“所有自然界的生物材料很大程度上受到基因驅動，并且可以根據基因的進化而重塑自身的性能。事實上，很多優異的性能正是通過適應環境而進化出來的，這些特性正在賦予仿生材料領域新的靈感?！?來自中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所（以下簡稱 “合成所”）的鐘超博士介紹道。
目前，鐘超于合成所擔任所長助理、材料合成生物學研究中心主任。作為材料合成生物學領域的領跑者，其先后獲得國家杰出青年基金（2022-2026）、國家自然科學基金大科學裝置聯合基金（2020-2023）等重大科研項目，任國家重點研發計劃合成生物學專項首席科學家，并獲得國家重點人才引進計劃青年專家、科學中國人年度人物等多項榮譽。已在 Nature Reviews Materials、Nature Nanotechnology、Nature Chemical Biology、Science Advances、Advanced Materials 等多個頂尖學術期刊發表論文 30 余篇。
鐘超本科就讀于天津大學，于 2009 年獲得美國康奈爾大學博士學位后，曾先后在美國華盛頓大學（西雅圖分校）和麻省理工學院合成生物學中心從事博士后工作。
2014 年，鐘超回國后即在上?？萍即髮W任課題組長和研究員，開展活體功能材料相關研究工作。自 2020 年 3 月來到深圳先進院合成所材料合成生物學中心任職。可生長、自修復的活體功能材料
材料合成生物學是材料科學與合成生物學相互交叉碰撞的學科。2020 年，鐘超團隊和麻省理工學院的盧冠達團隊共同發表論文，首次定義了這一新興交叉領域的研究范疇：即綜合合成生物學和材料科學的工程原理，將生命系統重新設計為具有可編程和新興功能的動態響應材料。
“將合成生物學工具注入到細胞工廠并將其改造成為一個可編程材料開發平臺，其好處在于，隨著各種技術的發展，可以根據設計需要注入新的功能到平臺上，從而制造出適用于各類應用場景的新型材料。” 鐘超介紹道。
借助先進的合成生物學工具，近年來，活體功能材料（living functional materials）成為了該領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胞組裝而成，從而將活體細胞的自修復、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材料的任務，同時還具備自修復以及通過工程改造適應不同應用場景的特點，且更加符合對于資源、環境的可持續性發展要求。
“實際上，這一新方向的很多設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，都是細胞高度參與并形成的復合材料。這些天然生物材料能將生命系統的活體屬性：包括快速生長能力、自修復能力和環境適應性等，與特定的材料性能完美結合，同時動態響應周圍環境的變化，智能化調節材料性質。這些正是活體功能材料這一新興研究方向最終期望實現的目標。”
活體材料方向的發展從生物被膜開始。2014 年，來自 MIT 的盧冠達團隊發表論文，其利用工程化生物被膜 curli 體系（大腸桿菌淀粉樣蛋白纖維）進行活材料的組裝，該工作正式拉開了活體材料領域的序幕。
細菌生物被膜（Bacterial biofilm）：
細菌通過分泌多糖基質、纖維蛋白、脂質蛋白等，將自身包裹其中而形成的大量細菌聚集膜樣物。
從物理性質上看，生物被膜可被視為一種嵌入了膠體顆粒的交聯高分子凝膠復合體。胞外基質中的多糖與蛋白在纏結、氫鍵及正負電荷等相互作用下保證了生物被膜具備穩定的結構。
另一方面，作為細菌為適應自然環境所產生的有利于生存的生命現象，生物被膜可出現在包括自然、人工及宿主體內環境的任何生態系統，這就奠定了該類材料廣泛應用的基礎。
2019 年，鐘超課題組利用胞外分泌表達 curli 以及胞內誘導表達 CsgA 兩種方式，通過后處理提純出各種功能可編輯的 CsgA 單體，在體外組裝形成陣列材料。這種陣列制造技術在生物芯片、高通量生物傳感器等領域具備應用潛力。
同年，其團隊在大腸桿菌生物被膜的研究基礎上進一步擴展，開發了基于枯草芽孢桿菌生物被膜的可編程、可 3D 打印的活體功能材料。研究人員以枯草芽孢桿菌生物被膜作為活體平臺，在其中整合藤壺、貽貝以及沙塔蠕蟲等海洋生物的多種粘合特征，首次證明了細菌活體膠水的可行性。
發展至今，鐘超及其課題組在各項早期研究的基礎上進一步拓展，深入探索了活體功能材料用于醫學領域（骨修復和癌癥診療）、環境污染修復以及自修復建筑材料等諸多方向應用的可能。可持續、可定制化是活體材料的主要優勢
近年來，國內外多項研究證明，活體功能材料能夠突破常規生物聚合物和生物材料的制造法則。通過更全面的探索生物學和材料科學領域，更多具有生物特性的材料正在逐漸打破人們的想象。
談及合成生物學對于傳統材料科學的影響，鐘超博士深有感觸。
“首先在于可持續性，不僅是材料的可持續性，還包括生產過程以及環境的可持續性。比如近年來火熱的蛛絲蛋白研究等等，不僅是對傳統工業的革新，更將為實現碳中和、碳達峰的可持續目標添磚加瓦。”
“其次是可定制化。合成生物學技術賦予了材料生物功能定制化的研究前景，通過加深對于基因層面、結構與功能的理解，人們可以按需制造出適應于各種不同環境的功能材料。”
以其在 2020 年發表的智能活體膠水研究為例。領域已開發的很多粘合材料其生物相容性和粘合性能達標，但是無法兼顧特定場合的應用需求（例如感知環境甚至是智能特征）。
借助合成生物學技術，鐘超團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 進行融合表達，并且在基因線路中整合藍光調控基因，使其在光控條件下能對特定缺陷位置進行精準修復。
“目前來說，智能活體膠水的應用潛力將首先體現在兩個方向。” 鐘超介紹道，一方面可以通過設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 “智能機器人”，用于長時間的監控并維護海底輸油管道。
另一方面則是在醫****領域，設計感知血液的活體膠水合成線路，經過基因改造的細菌能夠自發尋找出血位置并且封堵出血傷口，未來或將用于腸道慢性出血癥等疾病的治療。
經過數年深耕，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合成生物學等多個方向，同時致力于推進活體材料在生物醫****、生物能源和生物電子等多個領域中的應用。
2021 年 3 月，鐘超和大學同學崔俊鋒在深圳合作創立柏垠生物（PAM2L Biotechnologies），據鐘超介紹，該公司的首要目標就是利用合成生物學技術開發生物基功能材料（包括上述提到的活材料）并推進至產業化階段。
柏垠生物將首先進入醫****和醫療器械領域尋求突破發展。除此之外，還將在傳統工業領域中開展應用研究。目前，該公司已經構建起自然和人造蛋白材料基因信息 - 蛋白結構域 - 功能對應的相關數據庫，將人工智能與合成生物學緊密聯系起來。
當前階段，盡管科學家已經能夠以模塊化的方式在基因層面上對活細胞進行功能修飾和調控，但是涉及到將基因設計與技術原理應用到復雜結構的材料設計及性能預期，這些工作仍處于起步階段。
鐘超介紹道，“如果要進入應用，還需要考慮到具體應用場景中的實施難題，這種情況下，基于數據庫搜索并完成基因環路設計的方式能夠大大加快工作進程。”
2021 年 12 月，柏垠生物完成了總額近 500 萬美元的天使輪融資，由五源資本獨家投資。五源資本先后投資過攜程、小米集團、小鵬汽車、快手、商湯科技等知名企業。
當前，柏垠生物的實驗平臺和技術團隊初具規模，在合成生物新材料研發和相關管線產品的研發工作已經正式啟動，研發和中試新址建設穩步推進中。
“材料合成生物學的產能空間很大。” 鐘超表示，不僅在于醫療領域，從目前已有的研究已經能夠看到，其對于太空探索、綠色能源和農業以及新材料的發現具有普遍的促進作用。
談及對于合成生物學未來的發展，鐘超認為：“很多人把合成生物學看成一門工程學科，但是其實隨著基因編輯以及復雜基因線路技術等逐步發展，人們也可以利用合成生物工具探索生命運作的機制，并對生命的奧秘有更深入的理解。所以從另一個角度來說，合成生物學也將助力基礎學科的發展，它有很多的可能性。”
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