在自然界中，許多海洋生物能夠合成具有優(yōu)異力學(xué)性能和自適應(yīng)能力的復(fù)合材料，如鮑魚殼、珊瑚骨骼等。這些生物材料的核心秘密之一在于其高度有序的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)的礦化過(guò)程。上海科技大學(xué)鐘超研究員團(tuán)隊(duì)在《Nature》子刊上發(fā)表的研究成果，將這一自然智慧與前沿合成生物學(xué)、材料科學(xué)相結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)性地利用光誘導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)活性生物膜的梯度礦化精確調(diào)控，為開(kāi)發(fā)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)和損傷修復(fù)功能的新型“活的復(fù)合材料”開(kāi)辟了全新路徑。這項(xiàng)研究也為高效、定向提取與利用海洋生物活性物質(zhì)提供了革命性的技術(shù)思路。

一、 自然啟示：從海洋生物到“活的復(fù)合材料”

海洋是生物礦化的寶庫(kù)。許多海洋生物通過(guò)分泌特定的蛋白質(zhì)和多糖等生物大分子（即海洋生物活性物質(zhì)），在溫和條件下引導(dǎo)無(wú)機(jī)礦物（如碳酸鈣、二氧化硅）以特定的晶型、取向和梯度在有機(jī)基質(zhì)上沉積，形成強(qiáng)度高、韌性好的復(fù)合材料。更重要的是，這些過(guò)程是“活”的，由生物體自身的新陳代謝驅(qū)動(dòng)，能夠響應(yīng)環(huán)境變化并實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)與修復(fù)。受此啟發(fā)，合成生物學(xué)致力于設(shè)計(jì)改造微生物（如工程細(xì)菌），使其成為生產(chǎn)特定材料或結(jié)構(gòu)的“細(xì)胞工廠”。鐘超團(tuán)隊(duì)的研究正是這一領(lǐng)域的杰出代表，他們創(chuàng)造了一種由工程大腸桿菌形成的活性生物膜，作為可編程的有機(jī)模板。

二、 光控魔法：實(shí)現(xiàn)梯度礦化的精密開(kāi)關(guān)

研究的關(guān)鍵突破在于引入了“光”作為精確的時(shí)空控制開(kāi)關(guān)。團(tuán)隊(duì)對(duì)工程菌進(jìn)行了改造，使其生物膜能分泌一種對(duì)藍(lán)光敏感的蛋白質(zhì)。在特定波長(zhǎng)藍(lán)光的照射下，這種蛋白能高效地催化溶液中的前驅(qū)體形成無(wú)機(jī)礦物（如磷酸鈣），并沉積在生物膜上。

“梯度礦化”是模仿自然材料性能（如從堅(jiān)硬到柔韌的漸變）的核心。通過(guò)控制光照的強(qiáng)度、時(shí)間和空間圖案，研究人員可以像“3D打印”一樣，在生物膜的不同位置誘導(dǎo)不同程度的礦化。例如，強(qiáng)光長(zhǎng)時(shí)間照射區(qū)域礦化程度高，材料變硬；弱光或未照射區(qū)域則保持生物膜的柔軟和生物活性。這種能力使得一次性制造出力學(xué)性能呈梯度變化的復(fù)合材料成為可能，這是傳統(tǒng)材料加工方法難以實(shí)現(xiàn)的。

三、 動(dòng)態(tài)響應(yīng)與損傷修復(fù)：讓材料“活”起來(lái)

這種光誘導(dǎo)活性生物膜的最大優(yōu)勢(shì)在于其“活性”。由于基底是活的生物膜，其中包含大量活的工程菌：

1. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)：材料可以根據(jù)外部光信號(hào)的改變，在已有結(jié)構(gòu)上繼續(xù)引導(dǎo)礦物的沉積或調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)材料性能（如硬度、透光性）的動(dòng)態(tài)、可逆調(diào)節(jié)。
2. 自主修復(fù)：當(dāng)材料發(fā)生損傷時(shí)，只需在損傷部位施加光照，存活的工程菌就能“響應(yīng)號(hào)召”，重新分泌催化蛋白，引導(dǎo)新的礦物在破損處沉積，實(shí)現(xiàn)損傷的自我修復(fù)。這模仿了生物體的愈合能力，極大地延長(zhǎng)了材料的使用壽命和可靠性。

四、 應(yīng)用前景與對(duì)海洋活性物質(zhì)提取的啟示

這項(xiàng)研究不僅展示了一種全新的智能材料制造范式，其原理和技術(shù)也對(duì)海洋生物活性物質(zhì)的提取與應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響：

1. 材料制造：在柔性電子、仿生機(jī)器人、自適應(yīng)光學(xué)器件、骨組織工程支架等領(lǐng)域，這種可編程、可修復(fù)的梯度復(fù)合材料具有巨大應(yīng)用潛力。
2. 仿生提取與合成：傳統(tǒng)從海洋生物（如鮑魚、海綿）中直接提取引導(dǎo)礦化的活性蛋白成本高昂、效率低下。鐘超團(tuán)隊(duì)的工作指明了一條顛覆性路徑：無(wú)需直接從復(fù)雜生物體中艱難提取，而是通過(guò)解析其關(guān)鍵基因與功能，利用合成生物學(xué)手段在工程微生物中重組表達(dá)這些功能模塊（如光敏催化蛋白）。這相當(dāng)于創(chuàng)建了高效、可控的“人工腺體”，能夠按需、定點(diǎn)生產(chǎn)目標(biāo)活性物質(zhì)或其仿生類似物，實(shí)現(xiàn)海洋生物活性物質(zhì)功能的規(guī)模化、工程化利用。

結(jié)論

上海科技大學(xué)鐘超團(tuán)隊(duì)在《Nature》子刊上的這項(xiàng)研究，巧妙地將合成生物學(xué)、光遺傳學(xué)與材料科學(xué)融合，成功復(fù)制并升級(jí)了海洋生物的精妙礦化策略。他們所開(kāi)發(fā)的光誘導(dǎo)活性生物膜平臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料從“靜態(tài)制造”到“動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)”的飛躍，賦予了材料感知、響應(yīng)和自修復(fù)的生命特征，也為高效開(kāi)發(fā)和利用海洋生物活性物質(zhì)的功能提供了強(qiáng)大的工程化工具箱。這標(biāo)志著我們向創(chuàng)造真正意義上的“活”的智能材料邁出了關(guān)鍵一步，由光指引生長(zhǎng)的、能夠自我修復(fù)的仿生設(shè)備或許將從實(shí)驗(yàn)室走向廣闊的應(yīng)用海洋。