北京大学张文彬课题组综述: 基因工程材料

可基因编码的材料，如蛋白质，是一类独特的基因工程材料(Genetically Engineered Materials) ，其性能可通过对基因信息的编辑进行调节和进化。北京大学张文彬课题组、香港科技大学孙飞、安阳工学院魏静静合作撰写综述，从单分子、组装体和系统三个层次展开，阐明了基因工程材料的科学概念和内涵，总结了包括蛋白质材料和活体功能材料在内的基因工程材料的最新进展，展望了该领域研究的广阔前景。

2011年，美国率先提出“材料基因组计划”，致力于通过计算模拟、高通量实验和数据库的协同，加速新材料从发现到应用的进程。尽管近年来材料基因组的相关研究取得了显著进展，但是大多数现有合成材料仍然缺乏基因可编码的属性。而相较于合成材料，大自然在生命系统中提供了多种多样且富有价值的基因工程材料原型，其材料体系是在基因控制下生成和调控的。对这些天然的可基因编码材料进一步进行重新编程，或将其设计原理应用到合成材料的制备和调控上，有望得到具有优越性能的基因工程材料。

本综述中，作者从单分子、组装体和系统三个层次展开，讨论了基因工程材料的概念，总结了蛋白质分子基元、蛋白质组装体和活体功能材料的最新进展（图 1）。蛋白质是生命功能的主要承担者，也是生命系统的首选材料。天然蛋白质材料（如酶、角蛋白、蚕丝、毛发等）蕴含了许多关于材料设计和工程化的原理，是基因工程材料的范例。天然蛋白质分子本身就具备丰富的功能，如催化、信号转导、分子转运等，对其进行进一步工程化便可设计基因工程材料。此外，蛋白质还可以通过组装，形成从零维纳米笼、一维纳米纤维、二维层状结构到三维胶束、相分离微结构、有序框架和晶体，再到宏观凝胶等多种结构。从分子尺度到组装体尺度的演化，不仅带来结构稳定性的增强，还为新的材料功能涌现提供了丰富的可能性。近年来，随着体系尺度和复杂性的进一步提高，“活体功能材料”则在系统层次上实现材料的可基因编码特征，其本质是通过对细胞内的复杂分子网络，即基因回路，进行重编程，实现对细胞行为和材料功能的精密调控，并且利用生物材料可进化的特性实现进一步的优化，使材料真正具有“活体”的特征。                            

图1  基因工程材料体系总览 

基因工程材料的本质特征是建立“基因”信息和材料性质的紧密联系，通过对“基因”的精确编辑，实现对材料功能的精密调控和持续进化。该领域的最新进展表明，随着合成生物学的发展，人们已经可以通过在活细胞中发现和编辑各种各样的基因回路，来改造生命体系，制造具有生命特征的材料。材料合成生物学的兴起必将带来材料科学的变革甚至范式转变，引领基因工程材料的进一步发展。

详见: Jingjing Wei, Lianjie Xu, Wenaho, Wu, Fei Sun, Wen-Bin Zhang. Genetically engineered materials: proteins and beyond. Sci. China Chem., 2022, DOI: 10.1007/s11426-021-1183-x

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通讯作者及第一作者简介

张文彬 北京大学化学与分子工程学院教授。2004年本科毕业于北京大学化学学院，2010年获得美国阿克伦大学高分子科学博士学位，在阿克伦大学和加州理工学院进行两站博士后研究之后，于2013年加入北京大学，成立独立课题组。他的研究兴趣是整合合成高分子和生物大分子的设计原则和构建模块，开发具有独特功能的精密结构大分子，来解决与生命和健康相关的重要问题。

孙飞 香港科技大学化学及生物工程学系副教授。2007年本科毕业于北京大学化学学院；2007-2012年就读于芝加哥大学化学系获博士学位；2012-2014年于加州理工进行博士后研究，学习定向进化及蛋白质工程；2014年加入香港科技大学，博导与助理教授。其研究涉及蛋白质工程、材料合成生物学、化学生物学等。

魏静静 安阳工学院副教授，2009年本科毕业于河南大学，2015年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所。2016年入职安阳工学院，主要关注生物功能表界面及组装体的构建。获得国家自然科学基金青年项目，河南省青年骨干教师等项目资助。

许连杰 2017年本科毕业于北京大学，目前为北京大学化学与分子工程学院张文彬教授课题组博士研究生，研究方向为计算机辅助的拓扑蛋白质设计。