Nature子刊：田博之/林藝良/高翔等開發(fā)土壤仿生材料實現(xiàn)微生物功能調控

自然界中，各種不同類群的微生物在多種不同的環(huán)境中生長定植，例如，土壤微生物、腸道微生物等。微生物之間以及其定植環(huán)境（材料）的互作，在生物地球化學系統(tǒng)物質循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)平衡和人體健康等發(fā)揮重要的功能。

通過道法自然界中材料與微生物界面互作，近年來發(fā)展的材料-微生物人工雜合體系，利用材料實現(xiàn)對微生物的功能調控，賦予微生物細胞新的功能或活性，在人工光合作用、**遞送、CO2固定、微生物燃料電池和活體功能材料領域都顯示出較大的潛力。例如，通過高效吸收光能的半導體材料與微生物結合，將光合作用效率低的天然光合生物變?yōu)楦咝Вǖ托У礁咝мD變），將不能利用光能的微生物轉變?yōu)槔霉饽転榘麅却x提供能量（能到不能轉變）。但材料-微生物人工雜合體系目前還處于概念驗證階段，將非生物的材料與生物體系結合并有效發(fā)揮功能挑戰(zhàn)主要有兩方面：1）非生物材料（包括無機和有機）的生物相容性、穩(wěn)定性和功能性不佳，難兼?zhèn)洌?）材料-微生物界面能量和物質傳遞和轉化機制不清、效率低。如何構建高效調控微生物功能的材料及界面是該領域核心問題。

2022年10月24日，Nature Chemistry 期刊發(fā)表的一篇題為：A Soil-Inspired Dynamically Responsive Chemical System for Microbial Modulation 的研究論文，報道了一種動態(tài)響應的土壤仿生材料，與微生物互作，實現(xiàn)對微生物活性調控，可以潛在應用于生物制造和腸道微生物相關****。

芝加哥大學田博之教授和林藝良為通訊作者，林藝良（現(xiàn)為新加坡國立大學助理教授）、高翔（現(xiàn)為深圳先進技術研究院合成生物研究所副研究員）、岳繼平和方寅（現(xiàn)為新加坡南洋理工大學助理教授）為論文**作者和共同**作者。

在自然界中，土壤是龐大微生物群落的棲息環(huán)境，而且土壤孔隙中的獨特微環(huán)境孕育了非常豐富的微生物群體和良好的材料-生物界面。團隊受此啟發(fā)設計并合成出一種新的應激響應型“化學系統(tǒng)”，由蒙脫土（一種天然土壤組分）、淀粉顆粒和液態(tài)金屬組成，該系統(tǒng)導電性對機械力、激光和化學溶劑具有動態(tài)響應性。通過該“化學系統(tǒng)”與微生物互作，不僅在體外可以增強生物被膜的生長和提高微生物合成化學品的產(chǎn)量，還可以在小鼠體內還能夠調節(jié)腸道菌群失調，恢復腸道微生態(tài)和**潰瘍性結腸炎。

土壤被公認是地球系統(tǒng)生物多樣性*為復雜和豐富的環(huán)境，目前已知每克土壤中微生物的數(shù)量可達上百億個，種類可達上百萬種。因此，土壤與土壤微生物結合組成了一種天然高效的雜合體界面，其中土壤顆粒含有礦物質固體，形成一種高度孔隙結構（空隙約占體積50%），內含有機物和液體等可隨外部環(huán)境變化發(fā)生動態(tài)改變，土壤微生物均生活在孔隙之中，與土壤緊密互作。土壤異質組成、獨特空間結構以及動態(tài)響應性質為土壤微生物多樣性提供必要條件。團隊受此啟發(fā)，推測合成一種類似土壤的“化學系統(tǒng)”，可以提供一種理想的材料-微生物界面，實現(xiàn)對微生物功能的調控。

研究團隊設計的“化學系統(tǒng)”（土壤仿生材料）主要由蒙脫土（天然土壤成份，俗稱“觀音土”）、淀粉顆粒和液態(tài)金屬三種組分分別模擬天然土壤的礦物質、有機物和液體流動相，利用常用的多孔材料制備方法：“冰模版法”，經(jīng)過冷凍、干燥和熱壓縮的步驟自下而上合成。其中蒙脫土是土壤中的常見組分，淀粉顆粒和液態(tài)金屬提供應天然土壤不具有的新功能。通過電子顯微鏡成像，揭示土壤仿生材料多層的孔隙結構，孔隙率約為54.6%；使用基于同步加速器的3D-X射線熒光光譜（3D X-ray fluorescence）和疊層衍射成像（ptychographic tomography）進一步表征土壤仿生材料，發(fā)現(xiàn)材料形成一種多??結構，液態(tài)金屬顆粒（Ga和In）大小分布在10 nm和幾微米之間、主要分布在礦物質表面和孔的內表面；通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)材料中的淀粉顆粒在熱壓縮的過程中會發(fā)生凝膠化作用，使淀粉顆粒在保持一定結構的情況下形成空隙，并釋放聚合物可以在礦物質層之間形成黏連，增加材料的機械性能和空隙空間。

天然土壤的性質是隨環(huán)境發(fā)生動態(tài)變化，研究團隊進一步考察上述合成的材料是否也可以具備動態(tài)響應的能力，即通過合成后修飾的方法為材料增加新的功能。研究團隊首先利用機械力在材料上壓出一條凹痕，實現(xiàn)將不導電的材料變成導電；同樣利用激光照射，對材料進行燒結，也可以使材料導電。推測機械力或激光照射對材料形成局部壓力，迫使淀粉顆粒和礦物質表面的液態(tài)金屬顆粒發(fā)生形變和重新分布，可以跨過空隙結構，形成連續(xù)的液態(tài)金屬線路，從而具有導電性，這一過程，我們稱為導電功能的“寫入”；進一步通過加入有機溶劑，又可以將導電的材料恢復成原始不導電，實現(xiàn)“擦除”。證實該材料可以動態(tài)響應外界物理或化學刺激實現(xiàn)在電學性能方面的“寫入”和“擦除”。

研究團隊進一步開展土壤仿生材料對微生物功能調控的研究。之前有研究表明微生物電信號調控枯草芽孢桿菌生物被膜的生長（Cell 168, 200–209 (2017).），因此研究團隊利用經(jīng)過激光處理前和后的材料培養(yǎng)生物被膜，發(fā)現(xiàn)處理后材料生物被膜生長面積比處理前提高了43%。另一個實驗還發(fā)現(xiàn)該材料也可以促進大腸桿菌生長和合成乙酸的產(chǎn)量。*后，研究團隊開展土壤仿生材料調控腸道微生物的研究，分別構建四環(huán)素誘導形成腸道菌群紊亂和葡聚糖硫酸鈉誘導形成急性的潰瘍性腸炎模型的小鼠，通過喂食土壤仿生材料可以顯著恢復腸道菌群紊亂和**潰瘍性結腸炎的效果。