基于合成生物硅化策略的可编程细胞聚集体构建及其在生物制造与活体材料中的应用

本研究针对传统细胞聚集方法依赖有机粘附模块的局限性，开发了基于R5肽介导的生物硅化技术，实现了15分钟内95%细胞聚集率。通过工程化大肠杆菌表面展示硅藻源R5肽(SSKKSGSYSGSKGSKRRIL)，建立了兼具硅沉积与硅结合双重功能的细胞编程体系，成功构建了具有机械强度(抗压4吨)的沙基活体材料，并利用聚集体氧梯度特性实现了需氧敏感途径化学品(1-丁醇46.7 mg/L，氢气2.47 mM)的高效生产，为合成生物学和材料工程提供了新范式。

　　

在自然界中，硅藻等生物通过精妙的有机-无机相互作用构建出复杂的硅质结构，这种生物矿化过程启发了科学家对新型生物材料的探索。然而，传统细胞编程技术主要依赖有机分子介导的细胞粘附，存在化学修饰复杂、功能基团随细胞生长稀释等问题。更关键的是，现有方法难以实现细胞聚集体的快速可控构建及其在材料科学和生物制造中的应用突破。如何开发遗传编码、高效可控的细胞编程新方法，成为合成生物学和材料科学交叉领域的重要挑战。

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的研究团队在《iScience》发表创新成果，通过工程化大肠杆菌表面展示硅藻源R5肽，建立了基于生物硅化的可编程细胞聚集系统。该研究融合了免疫染色验证、扫描电镜表征、动态光散射分析等关键技术，结合机械性能测试(抗压/三点弯曲)和双气相色谱(GC)检测，构建了数学模型预测聚集动力学。

【Programmable aggregation induced by biosilicification】
研究团队设计包含TetR调控元件、外膜锚定 intimin 和 R5肽(SSKKSGSYSGSKGSKRRIL)的基因回路。免疫荧光和流式细胞术证实诱导后R5肽成功展示于细胞表面。添加四甲氧基硅烷(TMOS)后，扫描电镜与能谱分析显示细胞表面特异性硅沉积。纯化实验证实R5融合蛋白对5μm硅微球的结合活性，动态光散射显示200nm硅颗粒在R5作用下形成>1μm聚集体。细胞沉降实验显示15分钟内实现95%聚集效率，数学模型揭示初始细胞密度与聚集速率的正相关关系。

【Living materials assembly】
将展示R5的工程细胞(3.6g)与标准砂(20-600g)混合，压缩成型后获得最大抗压强度4吨的立方体(1cm³
)和抗弯强度12吨的梁状结构(6×1×1cm)。荧光蛋白标记实现材料色彩编程，21.6g细胞与600g砂可制备10×10×3cm大型构件。R5细胞作为生物粘合剂可实现模块化组装，材料在150天内保持结构稳定性。

【Programmable aggregation for biomanufacturing】
通过顺序分层构建核壳结构聚集体：核心区表达1-丁醇合成途径(Ec-atoB/Ca-hbd/Ca-crt/Td-ter/Ca-adhE2)或氢化酶基因簇(hyaABCDEF)，外壳区为R5展示细胞。GC检测显示在好氧条件下，核心区细胞仍能高效生产1-丁醇(46.7 mg/L)和氢气(2.47 mM)，较非结构化工程细胞产量提升74%。

该研究开创性地将生物硅化机制应用于细胞编程领域，其重要意义体现在三方面：技术上，R5肽介导的硅沉积-结合双重功能突破了传统有机粘附模块的局限；应用上，开发的活体建筑材料展现出自修复、色彩编程等特性；理论上，聚集体氧梯度调控策略为需氧敏感途径的工业化生产提供了新思路。研究存在的局限性在于材料防水性不足，未来可通过基因工程强化粘附分子或引入疏水涂层改进。这项工作为理解多细胞系统自组织机制提供了新视角，在生物制造、组织工程等领域具有广阔应用前景。