Living hydrogels with catalytic function grown from engineered yeast co-cultures

想象一个这样的世界：我们用于制造医疗器械、软体机器人甚至食物的材料，不是通过重型机械和有毒化学品在工厂中制造出来的，而是像花园里的植物一样生长出来的。这就是工程化活体材料（engineered living materials）所承诺的前景——在这个领域，科学家们通过编程微小的生物来为它们构建结构。在这场故事的核心，是水凝胶（hydrogels），这种由大部分水分组成的柔软、胶冻状的网络可以容纳活细胞并支持生命。这些材料对于人工皮肤、伤口敷料和组织支架等用途至关重要。然而，制造它们传统上是一个困难且往往有害的过程。为了将液体蛋白质转化为固体凝胶，制造商通常必须混合严苛的化学交联剂或昂贵的纯化酶。这些化学物质会对该凝胶旨在保护的细胞产生毒性，而且纯化步骤既耗能又繁琐。然而，大自然在数十亿年前就已经解决了这个问题。我们自身体内以及自然界中的活细胞，一直在通过将蛋白质链接在一起来构建和修复类胶质结构，而无需任何有毒添加剂。研究人员一直以来的疑问是，我们能否教导微生物也这样做，仅仅通过在液体培养基中生长，就能创造出这些有用的材料。

来自阿尔托大学（Aalto University）和帝国理工学院（Imperial College London）的一个科学家团队现在以肯定的回答解决了这个问题。他们开发了一种系统，让工程化酵母细胞直接从液体培养液中生长出一种强韧且具有功能的氢凝胶，完全绕过了对外部化学品或复杂制造步骤的需求。研究人员首先研究了一种被称为转谷氨酰胺酶（transglutaminase）的特定酶，它就像一种分子胶水，能够将蛋白质链缝合在一起形成固体网络。虽然自然界中存在某些版本的这种酶，但团队选择了细菌版本，因为它们非常稳健，且不需要额外的辅助分子即可工作。他们提取了四种不同的细菌酶，并对酵母细胞进行了编程以生产这些酶。为了找到最佳候选者，他们将这些酶展示在酵母细胞的表面，并使用筛选过程来确定哪种酶酵母能最有效地生产。他们发现，来自一种名为“链霉菌”（Streptomyces mobaraensis）的细菌的酶是明显的优胜者。

下一个挑战是如何让酵母将这种酶分泌到液体中，以便它能在周围环境中作用于蛋白质。研究人员对酵母进行了工程化处理，使其能将酶自由释放到培养液中。他们在液体培养基中添加了一种特定的蛋白质——酪蛋白（casein），这种蛋白质富含该酶工作所需的构建模块。当酵母在安静、不受干扰的容器中生长时，它们开始分泌这种酶。这种酶开始将酪蛋白分子链接在一起。然而，一个问题出现了：酵母细胞太重了，无法漂浮，因此沉到了容器底部。结果，酶只在底部产生，凝胶也只在那里形成一层厚厚的层，导致其余的液体保持不变。这种材料不均匀，且过程效率低下。

为了解决这个问题，研究人员向自然寻求线索。野外的酵母细胞经常附着在植物物质上，例如腐烂的水果或树皮，这些物质富含纤维素。团队想知道，他们是否可以使用被称为“纳米纤维素”（nanofibrils）的微小纤维来保持酵母细胞在液体中的悬浮状态。他们在培养液中添加了少量的这些纳米纤维。这些纤维就像一个温柔的、隐形的支架，将酵母细胞固定在整个液体体积中。随着细胞现在分布均匀，它们产生的酶就可以到达容器内所有的酪蛋白。结果发生了转变：整个液体在几天内变成了一个均匀的、自立的氢凝胶。这种凝胶不仅仅是一个简单的混合物；它具有独特的双重结构。网络的一部分是由物理缠绕在一起的纤维素纤维构成的，另一部分则是通过酵母产生的酶化学粘合在一起的蛋白质。这种组合使材料异常强韧且富有弹性，即使在挤压时也能保持形状，同时其含水量仍高达94%。

然而，这个活体系统的真正力量在于它不仅能构建凝胶，还能执行特定的化学任务。研究人员将制造凝胶的酵母与第二种经过工程化处理、能产生分解抗生素酶的酵母进行共培养。由于这两种酵母在同一液体中共同生长，生成的氢凝胶同时包含了结构性蛋白质和抗生素分解酶。当他们测试这种凝胶时，发现它能成功改变化学指示剂的颜色，证明了这种活体材料正在积极执行催化功能。这意味着，通过单一步骤，他们生长出了一种既是结构性凝胶又是功能性工具的材料。

这项工作代表了我们思考制造材料方式的一种根本性转变。科学家们不再是在容器中强制化学反应，而是让材料在细胞内遗传指令的引导下自我生长。该过程非常简单，仅需在液体介质中培养酵母，并且完全避免了使用有毒交联剂。由此产生的氢凝胶强韧、灵活，并且可以被编程执行特定任务，例如分解有害物质。由于所使用的酵母通常被认为是安全的，且这些酶已广泛用于食品工业，这种方法为创造用于医学、食品和先进技术的新型生物降解材料打开了大门。这项研究表明，通过利用活细胞的自然能力，我们可以生长出复杂的、高性能的材料，而这些材料此前是无法通过严苛的工业过程制造出来的。