天然存在的活体生物材料，如骨头或木材，是从少量“祖细胞”“自下而上”生长成的宏观结构。受此启发，人们尝试通过合成生物学实现定制的、非天然的功能，从而开发工程生物材料（Engineered living materials，ELMs）。
ELM 是嵌入生物聚合物基质中的活细胞复合材料，用于制造具有定制生物和机械性能的新型材料。
通过将工程细胞整合到生物聚合物基质中，这些材料可以用作活体传感器、疗法、生物制造平台、电子、能量转换器和结构材料。当细胞赋予了 ELM 功能性时，基质将会组装材料，并控制散装材料的组成、结构和功能。
现在，只需一个培养箱和一些“肉汤”，研究人员就可以培养由细菌制成的可重复使用的过滤器，以清理受污染的水、检测环境中的化学物质并保护表面免受生锈和霉菌的侵害。
近日，来自莱斯大学的合成生物学博士后研究员 Sara Molinari 发表在 Nature Communications 的文章“A de novo matrix for macroscopic living materials from bacteria”（用于细菌宏观活体材料的从头基质），报告了新月柄杆菌（Caulobacter crescentus）可以实现 ELMs 的生长。
这些细胞显示并分泌了可以自相互作用的蛋白质。而这种蛋白质形成了一个从头基质，并将细胞组装成了厘米级的 ELM。通过发现 ELM 工程背后的设计原理，研究人员能够调整这些 ELM 的组成、机械性能和催化功能。这项工作提供了遗传工具、设计和组装规则，以及一个既能控制基质、又能控制细胞结构与功能的 ELMs 培养平台。
像人类细胞一样，细菌含有 DNA，提供构建蛋白质的指令。通过对细菌 DNA 进行修饰，可以指示细胞构建新的蛋白质，包括自然界中不存在的蛋白质，甚至这些蛋白质在细胞内的位置也可以被精确控制。
由于 ELM 是由活细胞制成的，因此可以对其进行基因工程改造以执行各种功能。例如，研究人员可以将细菌变成环境污染物的传感器，方法是在某些分子存在下令细菌改变颜色；细菌还可制造石灰石颗粒，石灰石颗粒是用于制造聚苯乙烯泡沫塑料和活光伏等的化学物质。
ELM 的主要挑战是弄清楚如何诱导它们产生基质或细胞周围的物质，以使研究人员能够控制最终材料的物理特性，例如其粘度、弹性和刚度。为了解决这个问题，Sara Molinari 和其团队创建了一个系统来编码源自细菌 DNA 的基质。
他们修改了新月柄杆菌的 DNA，使细菌在细胞表面产生由大量弹性蛋白组成的基质。这些弹性蛋白质具有相互结合并形成水凝胶的能力，水凝胶是一种可以保留大量水的材料。
当两个转基因细菌细胞彼此靠近时，这些蛋白质聚集在一起并保持细胞的彼此连接。通过用这种粘性弹性材料包围每个细胞，细菌聚集在一起，形成“活”的粘液。
此外，研究人员通过修饰弹性蛋白改变了最终材料的性质。例如，可以将细菌转化为坚硬的建筑材料，在发生损坏时具有自我修复的能力。或者可以将细菌转化为软质材料，用作产品中的填充物。
通常，制造多功能材料非常困难，部分原因是非常昂贵的加工成本。生物材料则不同——像一颗种子生长成树木，生物材料是从营养和能量需求最小的细胞中生长出来的，其生物降解性和极小的生产要求意味着可持续和经济的生产。
制造生物材料的技术既简单又便宜。只需要一个摇动的培养箱、蛋白质和糖，就能从细菌中生长出多功能、高性能的材料。培养箱只是一个金属或塑料盒，将温度保持在约37摄氏度，保持摇动即可。
将细菌转化为生物材料也是一个快速的过程。Molinari 介绍，他们能够在大约 24 小时内培养出细菌生物材料。与其他材料的制造过程相比，这是非常快的。
此外，其活细菌粘液易于运输和储存，从而降低了基于这些材料的未来技术的成本。活细菌粘液可在室温下的容器中存活长达三周，此后放回新鲜培养基中可重新生长。
不容忽视的是，由活细胞组成的 ELM 可生物相容、生物降解，更是一种环保技术。
“我们的细菌活性物质仍有一些方面需要澄清。”Molinari 说，“例如，我们尚且不知道细菌细胞表面上的蛋白质如何相互作用，或者彼此结合的强度如何；也不知道究竟需要多少蛋白质分子才能使细胞保持粘合在一起。”Molinari 表示，下一步将对这些问题进行研究，“回答这些问题将使我们能够进一步定制具有不同功能所需质量的生物材料。”
接下来，Molinari 还计划探索培养适应不同环境条件（如人体、土壤或淡水，或一定温度、酸碱度和盐度）的细菌作为活体生物材料，以扩大潜在的应用范围。
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