粘合材料尤其是水下粘合材料，作為一種先進的功能材料，在生物醫藥和海洋工業等多領域（例如，傷口愈合、下水管道涂層、船舶修復等）均有極其重要的應用。許多海洋生物如藤壺、貽貝、沙塔蠕蟲等能分泌具有較強水下粘性的粘合蛋白，為開發仿生粘合材料提供了靈感與思路。近年來，盡管仿生粘合材料已取得諸多進展，但與自然界海洋生物粘合劑相比，仍缺乏自我修復性、動態可調性、響應環境性等“活體”特征。此外，自然界粘合蛋白組份與功能的多樣性，也是目前仿生粘合材料（大部分建立在模擬粘合蛋白分子的單一特征上的仿生材料）所不能比擬的。
由此，上海科技大學物質學院材料與物理生物學研究部鐘超教授課題組基于合成生物學與材料科學的交叉學科思想，首次提出了基于枯草芽孢桿菌生物被膜來構建活體粘合膠水的新思路。相關成果以“Engineered Bacillus subtilis biofilms as living glues”為題，在國際著名材料期刊《Materials Today》上在線發表。
細菌生物被膜通常由細菌及其胞外分泌物質（如蛋白質、多糖、DNA）組成。枯草芽孢桿菌的生物被膜基質中則主要含有淀粉樣蛋白TasA、胞外多糖EPS以及表面疏水蛋白BslA等。結合自然界海洋生物的水下粘合特征，例如淀粉樣蛋白結構（存在于藤壺粘性蛋白），多巴分子（存在于貽貝粘性足絲蛋白）以及金屬離子促進的內在交聯結構（存在于沙塔蠕蟲中），研究人員采用基因工程的手段，構建了基于TasA和BslA的融合粘性蛋白TasA-Mefp5與BslA-Mfp3Sp，可分別提供內在粘性和界面粘性能力。為解決原核生物不能翻譯后修飾的問題，研究人員通過引入表達質粒，讓細菌表達酪氨酸酶來催化酪氨酸成為多巴分子。此外，研究人員還利用多糖分子的聚陰離子特性，加入Fe3+或其他金屬離子溶液促成EPS-Fe3+的交聯結構，從而進一步增加了生物被膜的內在粘性。
圖1 自然界海洋生物靈感的活體生物被膜粘合材料
進一步研究發現，整合上述所有粘性設計特征的生物被膜粘性強度最高，且抵抗外界惡劣環境破壞（如活性劑，變性劑等）的能力最強。此外，整合所有粘性特征的生物被膜，其形貌、親疏水性以及粘性強度在接種傳代之后仍保持大致不變，這也充分證明了枯草芽孢桿菌生物被膜可作為工程活體粘合材料的較好平臺。進一步測試表明，該活體粘合材料在金屬、玻璃以及不同高分子表面（如PET）均具有較好的水下粘合能力。
圖2 整合型生物被膜活體粘合材料的設計與力學表征
本研究充分利用了活體生物被膜的組成優勢，通過基因工程實現微生物基因改造，巧妙地融入自然界海洋生物的不同粘合特征，從而得到粘性可調的生物被膜粘合材料。由于枯草芽孢桿菌通常被認為是一種安全性的菌株（Generally Recognized as Safe，GRAS），因此，基于枯草芽孢桿菌的活體粘合膠水在生物醫藥、微生物治療等方面具有潛在的應用前景。與本論文相關的知識產權工作已申請中國和國際專利（CN/201810519230.7和PCT/CN2018/121947)。
本文第一作者為2015級碩士生張琛、物質學院助理研究員黃嬌芳博士、2017級碩士生張繼聰。通訊作者為鐘超教授，上科大為第一完成單位。該研究得到了上海市科委-基礎研究重點項目（合成生物學專項）、國家自然科學基金、青島海洋科學與技術國家實驗室-2016年度開放基金、上科大科研啟動基金等項目的支持。
研究過程中，得到了中科院上海應物所樊春海教授（現上海交通大學）以及美國麻省理工學院Timothy K. Lu教授及課題組成員的幫助；研究中的原始菌株來自美國印第安納大學D.Kearns課題組的饋贈支持；所涉掃描電鏡和透射電鏡及粘性材料表征等，得到上科大物質學院分析測試平臺和電鏡中心的幫助。
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