近日，我校物质学院材料与物理生物学研究部钟超课题组利用基因工程改造的方法开发出生物被膜，用于负载和固定功能纳米材料，并将这种生物被膜／无机纳米杂化材料首次应用在环境和能源催化领域。该研究成果以“Immobilization of Functional Nano-objects in Living Engineered Bacterial Biofilms for Catalytic Applications”为题，在知名期刊《National Science Review》上在线发表（DOI: org/10.1093/nsr/nwz104）。
纳米材料的尺寸通常在1纳米到100纳米之间，与传统的块状材料相比，具备更大的比表面积和更多的表面活性位点，因此非常适合设计纳米催化剂。然而，在纳米催化剂的具体使用过程中，由于其尺寸较小，相应也带来了较难回收、容易造成二次污染等问题。普适性的解决方案就是对纳米催化剂进行固定，然而传统的固定方法较为繁琐，并且不具备活体材料的可再生和易于规模化等优点。本研究基于大肠杆菌的生物被膜开发了功能纳米材料的负载方法，引入了活细胞本身的可再生和功能可调特性，证明了构建的这种生物被膜／无机纳米杂化材料在环境修复和能源催化领域的应用潜力。
在2018年发表的《Advanced Materials》文章中，钟超课题组报道了基于基因工程改造的具有光感应能力的大肠杆菌，能够在光照条件下分泌并在胞外组装功能纳米纤维，并能对溶液中的无机纳米材料进行时空可控的图案布阵。在当前的研究当中，研究人员首先对大肠杆菌进行基因工程使其表达、分泌并在胞外组装带有组氨酸标签的淀粉样蛋白纤维，然后通过“NTA-Metal-His”的金属配位作用，让纳米催化剂在生物被膜纤维网络上进行负载和固定。为了证明这种细菌／无机杂化材料的应用潜力，课题组选取了与能源和环境相关的典型催化反应体系，最后实现了三种简单并适合放大生产并可循环利用的多种催化反应体系：1）通过生物被膜负载的金纳米颗粒实现环境污染物---对硝基苯酚的可循环还原降解；2）利用生物被膜负载的量子点实现有机染料---刚果红的加速光降解；3）利用生物被膜负载量子点的细菌与另外一株携带氢化酶的工程菌相互协同实现了光照条件下产氢。
值得一提的是，这样的细菌／无机纳米杂化催化材料体系展现诸多优异的性能：一方面，活体生物被膜作为载体对纳米催化剂进行负载，并充分利用了生物体系的优势如可再生、可规模化和复杂酶体系。另一方面，在胞外的纤维表面固定纳米催化剂可以避免催化剂和细胞的直接接触，减少纳米材料对细胞的损伤。此外，在刚果红降解的反应体系中，由于淀粉样蛋白存在疏水结构域，可以对溶液中的刚果红进行富集，从而提高量子点附近的刚果红浓度，增加刚果红降解的速率。这项研究不仅表明将活细胞作为催化反应体系引入了生物独有的特性比如自我再生、环境响应和功能在基因层面可调性，同时结合了生物体系的动态活体特征和纳米材料的催化特征，设计了高效和可持续的催化反应体系，为未来解决生物修复、生物转化和能源方面等难题提供了一种新的方法。
本文第一作者为物质学院2015级博士生王新宇（现已入职上科大博士后）和2017级博士生濮嘉华，钟超为通讯作者，上科大为第一完成单位。此项研究得到了上科大物质学院米启兮教授、李涛教授，上科大免疫化学研究所聂焱副研究员和安徽大学朱满洲教授的帮助。上科大物质学院分析测试平台、电镜中心和国家蛋白质中心为本研究的材料表征提供了支持。该研究得到了上海市科委基金和国家自然科学基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz104
基因工程改造的大肠杆菌生物被膜可应用于负载和固定无机纳米材料并实现多样的催化应用