综述：S层作为纳米生物技术和合成生物学的天然构建模块

《Current Opinion in Microbiology》：S-layers as natural building blocks for nanobiotechnology and synthetic biology

　　

乌韦·B·斯莱特|伯恩哈德·舒斯特

奥地利维也纳BOKU大学合成生物建筑研究所生物技术及食品科学系

晶体状细菌细胞表面层（S层）是一种自组装的蛋白质晶格，构成了许多细菌和大多数古菌的最外层结构。除了作为细胞表面成分的传统功能外，S层越来越被视为可编程的二维生物材料，它们具有纳米级的精确度、特定的孔隙率以及出色的物理化学性质。在本综述中，我们总结了目前对S层结构、组装及其功能化的理解，旨在将其作为纳米生物技术和合成生物学的统一平台。我们强调了其内在的自组装能力和基因工程可塑性，使得人们能够设计出有序的生物分子界面，这些界面可应用于分子筛分、生物传感器、生物矿化以及纳米级图案化等领域。经过工程改造的S层融合蛋白能够以模块化且空间可控的方式展示功能域，从而将自下而上的材料设计与生物复杂性相结合。除了技术应用价值外，S层在宿主与微生物的相互作用中也发挥着重要作用，其规则的结构以及易于被细胞识别的特性影响着免疫原性和细胞识别过程，这对疫苗开发、靶向递送以及微生物组工程具有重要意义。我们认为，克服当前在规模化生产、稳定性以及系统整合方面的限制，对于充分发挥S层作为可基因编程的生物启发型界面的潜力至关重要，这将有助于创造新型的适应性纳米材料，并推动合成生物学系统设计原则的发展。

引言

纳米尺度上生物系统所展现出的惊人精确度和复杂性，持续为工程学和材料科学领域的创新提供灵感。被称为S层的单分子晶体细胞表面层，是许多细菌以及几乎所有古菌的最外层结构，它们属于高效且内在可编程的结构元素。这类结构通常由单一蛋白质或糖蛋白构成，在特定条件下会自发组装成高度有序的二维晶体晶格，从而形成周期性纳米结构。自20世纪中叶通过电子显微镜首次观察到这些结构以来，它们就一直备受关注。最初的研究主要聚焦于它们的生物功能，比如在分子筛分、细胞保护以及黏附作用等方面的作用。随着S层蛋白的分离以及在无细胞系统中对其自组装行为的证实，研究方向发生了转变。再加上基因工程和化学功能化技术的进步，这些发现使得S层成为用于纳米生物技术应用的强大且可扩展的平台，包括合成生物学领域。

本综述重点介绍了利用S层的内在自组织能力、基因可编程性以及化学可调控性来创建功能性生物界面、混合材料以及适应性纳米系统的新兴策略。微生物学、蛋白质工程与材料科学的进一步结合，还将进一步提升它们的技术潜力。

章节节选

S层的发现与基本原理

早期通过对完整的原核微生物进行冷冻蚀刻后进行透射电子显微镜观察，人们发现了覆盖在细胞表面的有序的亚晶格结构。这些发现让人们首次了解了S层的结构与化学组成，同时也表明了它具有抗污作用。研究人员发现，这类结构与其他细胞壁成分有所不同，是由规则的非共价结合形成的。

作为纳米生物技术蓝本的S层自组装现象

S层自组装是一种自发的、由熵驱动的过程，属于一级形态发生现象，即蛋白质亚单位无需代谢能量输入或外部模板，就能自行组装成能量最低的晶体状态。在最佳条件下，其组装速度极为迅速，往往几分钟内就能形成长程晶体秩序。

另一个重要的实际意义在于，在特定条件下，无缺陷的S层结构所能达到的横向尺寸大小。

作为分子筛的S层：最早的纳米生物技术应用

S层最早的应用之一就是作为超滤膜的分子筛。S层晶格中均匀的纳米级孔隙，为过滤提供了天然且精确的介质。由于自然界中的S层结构是为细菌细胞尺寸而优化的，因此需要开发相应技术才能制造出合适尺寸的超滤膜。解决办法是通过在微滤膜上沉积S层片段，类似于用重叠的瓦片覆盖屋顶的方式。

用于生物固定的基于S层的纳米装置

S层是一种极为理想的晶体基质，可用于固定功能性生物分子。其规则且高密度的晶格结构能够提供较高的表面积与体积比，从而便于精确地附着酶、抗体、抗原或配体。这种有序的生物固定方式提升了生物催化剂和生物传感器的稳定性与重复使用性能。

此外，S层还具有化学多样性，可以利用其固有的羧基和氨基等官能团。

作为纳米粒子合成模板的S层

S层晶格可作为高精度的生物支架，用于制备无机纳米结构。早期的研究已经证明了这些蛋白质晶格能够在S层孔隙中引导有序的硫化镉和金量子点的形成，这体现了空间可控生物矿化的基本原理。

此后，这一领域取得了显著发展。最新的研究则进一步强调了某些特定S层蛋白的作用。

作为多功能纳米平台的工程化S层融合蛋白

由于S层蛋白具有天然的模块化特性，因此可以作为一种强大的分子支架，用于设计兼具内在自组装特性与特殊生物功能的双功能融合结构。通过将酶结构域、受体配体、表位或抗体与抗原等异源肽序列整合到S层亚单位中，就可以创造出能够保持高度有序晶体晶格的多功能生物材料。这种基因工程手段

作为疫苗载体和佐剂的S层

由于S层具有高度有序且重复的晶格结构，与病毒衣壳相似，因此能够有效激活B细胞并引发抗体反应，具备很强的免疫原性。这一结构特点使得它们既可作为抗原载体，也可作为天然佐剂。早在20世纪80年代末，人们就提出了将S层用作抗原展示与免疫刺激一体化平台的理念，后来通过实验也验证了它们确实具备这种能力，能够同时实现两种功能。

益生菌中的S层功能作用

在乳酸菌和双歧杆菌等益生菌中，S层发挥着重要的生态学和功能作用。它们有助于细菌黏附在上皮细胞以及细胞外基质上，从而促进其在胃肠道内的定植。此外，S层还能通过竞争性结合以及调节黏膜表面的宿主与微生物之间的相互作用，起到排斥病原体的作用。

从免疫学角度来看，益生菌中的S层会与宿主的免疫系统发生相互作用。

合成生物学中的结构元件——S层

S层日益被视为合成生物学领域中极具潜力但尚未得到充分利用的构建模块。其自组装形成的规则晶体晶格结构，使其成为天然的图案化元素。目前的S层相关技术大致可分为两类：一类是基于分离纯化后的S层蛋白的自下而上式方法，另一类则是利用活细胞上天然的或经工程改造的S层的原位合成方法。这两种概念都是在新兴纳米生物技术的发展背景下被探讨的。

实际应用与商业考量

要将基于S层的产品推向市场，就需要实现重组蛋白的规模化生产以及稳定功能的S层结构。对于基于蛋白质的生物材料而言，获得监管机构的批准是一项重大挑战。不过，S层的应用前景极为广阔，包括生物传感器与先进诊断技术、再生医学、药物递送系统、环境治理以及合成细胞工厂等领域。S层正是一个典型例子，它充分展现了深入理解生物原理所带来的巨大应用价值。

未来展望与面临的挑战

从最初的生物学研究对象到如今纳米生物技术和合成生物学的核心组成部分，S层的发展历程充分体现了运用自然设计原理的强大威力。未来的研究将致力于更好地控制S层的各种性质，使其能够作为多功能分子构建工具中的图案化元素得到更广泛的应用。尤其是来自极端环境古菌的S层，由于其能够在极端环境下形成功能性糖蛋白晶格，因此更具研究价值。

尽管如此，

结论

S层是一种晶体状蛋白质晶格，它天然存在于大多数古菌以及许多细菌的表面，兼具结构稳定性、自组装能力以及模块化功能。从最初令人费解的细胞表面结构，到如今在生物技术、医学、材料科学以及合成生物学领域中用于构建功能性材料的多元平台，S层的发展历程充分展示了如何对天然纳米结构进行定向设计。

CRediT作者贡献说明

乌韦·B·斯莱特：概念构思、初稿撰写、审稿与编辑工作、可视化处理。伯恩哈德·舒斯特：初稿撰写、审稿与编辑工作、可视化处理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。