工程活体材料（Engineered
living materials, ELM）是以活体细胞（如细菌、真菌、哺乳动物细胞）作为主体，通过产生不同类型的生物大分子聚合物（如蛋白质、纤维素），或者通过与外加的高分子、微粒或其他骨架反应，自组装形成更大规模的材料。相较于传统材料，工程活体材料不仅能人为控制其组装过程和材料的拓扑形态，还能通过活体细胞基因表达进行自我调节,对特定的外界刺激进行动态响应，活体细胞的存在也给予了工程活体材料自我修复、自我生长的特点。目前的工程活体材料制备过程中，往往需要加入外源性的化合物。因此，直接使用活体细胞作为基础模块，在无需外源性化合物的情况下直接自组装形成形态可控的材料是合成生物学领域的一项研究重点。近日，香港科技大学孙飞教授团与黄晋卿教授及Richard
Lakerveld教授团队合作在Science
Advances上发表了题为“Directed
assembly of genetically engineered eukaryotic cells into living functional
materials via ultrahigh-affinity protein interactions”的论文。本文利用酵母AGA1/AGA2表面展示的原理，在酿酒酵母细胞表面分别表达了SpyTag/SpyCatcher和CL7/Im7两种极高亲和力的特异性蛋白反应对，利用蛋白相互作用控制酵母细胞自组装形成工程活体材料。同时通过光镊和介电泳的方式有效控制了活体材料的形成。并以此为基础，通过基因编辑使形成的活体材料具有特异性铀吸附或者水下粘合性的功能。图1. 极高亲和力的蛋白相互作用控制酵母细胞自组装示意图。图2. 利用含有对应蛋白反应组分的重组EGFP蛋白标记酵母细胞，例如用SpyCatcher-EGFP-SpyCatcher重组蛋白标记表达SpyTag的酵母细胞，对酵母表面展示进行验证。图3. 对应的两种工程化酵母细胞混合后能通过蛋白相互作用自组装形成多细胞结构材料，并分别被重组EGFP和mCherry蛋白标记以进行区分，同时无蛋白相互作用的菌株无法形成多细胞结构。图4. 利用光镊控制两个单独的细胞相互作用和分离。具有极高亲和力蛋白相互作用的两个酵母细胞之间具有更强的作用力。图5. 光镊控制形成的两个酵母细胞可以作为“种子”，进一步自我生长和分裂，同时保持了高亲和力蛋白相互作用，形成稳定的3D结构。图6.利用介电泳控制工程化酵母细胞组装形成不同形态的材料。图7.在酵母细胞表面同时表达铀吸附蛋白（Super Uranyl Binding Protein, SUP）和SpyTag/SpyCatcher。形成的工程活体材料可以显著提高从海水中吸附铀的效率。图8. 在酵母细胞表面同时表达贻贝足蛋白（Mussel Foot Protein, MFP）和SpyTag/SpyCatcher。形成的工程活体材料具有良好的机械性能，同时在玻璃或猪皮等表面表现出极强的粘性。总的来说，这篇文章利用基因编辑的方法，通过酵母细胞间的强蛋白相互作用自组装形成可以自我增殖的工程活体材料。材料的形态结构可以通过光镊或介电泳的方法进行控制。同时，通过基因编辑加入额外的功能基团，该活体材料可以被赋予如铀吸附或水下粘合的功能。该文章在无需外源性化合物的前提下，仅利用单独的细胞作为基元合成了高级结构的材料，为合成生物学提供了一种新的思路。参考文献：
Qikun Yi, Xin Dai, Byung Min Park, Junhao Gu, Jiren Luo, Ri Wang,
Cong Yu, Songzi Kou, Jinqing Huang, Richard Lakerveld, and Fei Sun. “Directed
Assembly of Genetically Engineered Eukaryotic Cells into Living Functional
Materials via Ultra-High-Affinity Protein Interactions.” Science Advances,
eade0073. DOI: 10.1126/sciadv.ade0073