生物智造：中國上海科學家打一束光，讓細菌“打工”畫納米電路

未來你用的手機屏可能是細菌生產的！

“給一束光，細菌就來打工了！”

據澎湃新聞4月24日報道，中國科學家日前用細菌來搬運、排列量子點，解決這一塗層問題。他們用該技術畫的電路，製備了叉指電極陣列，並證明其可作為觸碰開關使用。

但更大的亮點在於，中國科學家率先開發出光控技術，對上述製造過程實現精細控制，其量子點塗層的最小布陣精度已可達100 μm（微米，一百萬分之一米）。

“將該技術應用到芯片設計以及人工光合作用體系上，是我們的長遠目標。”4月23日，主導完成這一研究的上海科技大學助理教授、研究員鍾超這樣告訴記者。

該研究的論文日前發表在國際學術期刊《先進材料》（Advanced Materials）上，併入選當期內封面文章，獲其官網重點推薦。

發表在國際學術期刊《先進材料》的內封面：鍾超團隊利用生物被膜的動態自組裝實現了無機納米物件材料的模板化以及時空可控的自組裝，其組裝過程具備動態調控，環境自適應和多級複合等特性。

細菌來當搬運工、粉刷匠

量子點被稱為“人工原子”，它是納米級的半導體材料顆粒，目前備受人們關注。它正逐漸被應用於生物醫藥、光電設備等領域。

含有量子點材料的QLED被認為可能是下一代手機屏幕、電視屏幕，因為成本更低、色彩飽和度更高等特性，將取代iphoneX等新款手機使用的OLED屏。

這些新的手機、太陽能面板的優越性能依賴於均勻的量子點塗層。

**但如何將納米大小的量子點根據設計，均勻地沉積在襯底上，形成塗層？**傳統的工業製造技術是光刻、磁控濺射、蒸鍍等方法。

在鍾超團隊完成的這一研究中，把細小的量子點刷成塗層的“粉刷匠”、“搬運工”是大腸桿菌。它是人們日常生後中最常遇到的細菌，棒狀。它寄居在每個人的腸道里。

但大腸桿菌為什麼可以搬運量子點等納米顆粒，是吃進去嗎？

不是。

鍾超帶領的研究團隊通過基因操作，對大腸桿菌分泌的一種蛋白——CsgA進行了修飾，使CsgA蛋白能夠識別、結合經過金屬配位化學修飾的無機納米材料“量子點”。

這就建立了大腸桿菌與量子點的聯繫。當大腸桿菌分泌CsgA蛋白形成生物被膜時，量子點就連在CsgA蛋白上，像一個個葫蘆一樣，掛在生物被膜這個“毯子”的細絲或藤蔓上，形成塗層。

量子點塗層多層疊合

鍾超表示，因為CsgA蛋白首先組成纖維，纖維再排列形成被膜。一個纖維的亞單位——CsgA蛋白——識別一個納米顆粒。因此，量子點在纖維上排列得非常規則，而非堆在一起。通過顯微鏡可以看到，量子點塗層非常規整。

隨着生物被膜一層層增厚，量子點塗層可以隨之疊加。研究人員可以按照時間順序，定量加入不同的量子點，如紅色的CdSeS @ ZnS量子點、綠色的CdZnSeS @ ZnS量子點、藍色的CdZnS @ ZnS量子點等，以形成不同的塗層，並按照設計“圖紙”，疊合在一起。

光為什麼可以指揮大腸桿菌

當研究人員給藍光時，鍾超團隊的改造的大腸桿菌才會分泌CsgA蛋白，生成被膜，否則就一直不分泌CsgA蛋白，一直不形成被膜。

所以，想要什麼圖案、什麼形狀的塗層，就可以反推出對應的光控方案。

大腸桿菌把量子點塗層擺成五角星圖案

大腸桿菌把紅色熒光量子點排成上海科技大學的Logo

他們“打印”了一個鏤空的球體，還“打印”了上海科技大學的logo。

鍾超説，該技術在納米尺度上可以調控得非常精細。在顯微鏡下，量子點排列得非常規整，而非堆在一起。因為，CsgA蛋白首先組成纖維，纖維再排列形成被膜。

顯微鏡下的大腸桿菌及其生物被膜，以及被膜纖維中的量子點（納米顆粒）。

鍾超表示，生物被膜非常特殊的一點是具有超強的粘附性。即使在最“光滑”的“不粘鍋”塗層——特氟龍（聚四氟乙烯，PTFE）上，大腸桿菌也可以形成薄薄的生物被膜。它不只是可以貼在平面上，在圓筒等彎曲的三維平面上，大腸桿菌也可以排兵佈陣，生成量子點塗層。

量子點塗層做成的觸碰開關

據鍾超介紹，早在2014年，美國麻省理工學院研究團隊曾報道過用修飾過CsgA來偶聯金納米顆粒和量子點，並創建了一種環境響應型生物膜電氣開關。但2014年的這一方法是在生物被膜生成之後，再加入金納米顆粒或量子點。由於納米顆粒無法滲透進入緊密的生物被膜內容，因此，綁定效率較低，無法滿足更大規模生產的需要。

而且，2014年的這一方法中的誘導（或調控）過程僅僅依賴於小分子， 因此無法實現在時間和空間尺度上動態調控納米顆粒的自組裝。

鍾超團隊的方法將金納米顆粒和量子點從一開始就加入到大腸桿菌的培養環境中，一般而言，其調控難度更大。但鍾超團隊通過“給藍光”的光控編程，能夠在時間和空間上實現極其精細地控制**。這些聽從藍光指揮的大腸桿菌都事先經過基因改造，只有藍光出現時，它們才分泌出“修飾過的CsgA蛋白”，產生生物被膜。如果沒有藍光出現，這些大腸桿菌就“安靜”地生長，不產生被膜。**

也正是因為一開始就加入了金納米顆粒和量子點等，大腸桿菌對這些納米顆粒的組裝，與大腸桿菌自身生物被膜的生產組裝緊密相連，綁定效率因此大大提高，容易實現大規模的生產。

鍾超團隊首次以量子點等納米顆粒為原料，用細菌完成了三維立體的精巧形狀和圖案。

紅色量子點的動態自組裝

“我們這種方法能夠實現單種和多種納米顆粒在二維和三維基底表面上更復雜、更大規模的自組裝。”鍾超説。

此外，生物被膜耐高温、抗酸鹼，非常穩定，區別於一般的蛋白材料。鍾超研究團隊提出，這項動態納米物件自組裝方法在生物電子、光電器件、生物催化和可穿戴設備方面具有潛在的應用價值。

該技術創造出的活體功能材料，可能應用於人工光合作用體系、燃料電池等領域。

“量子點塗層接受到太陽光後，會產生電子。塗層下細菌接受這些電子，然後產生氫氣等，成為燃料電池。”

鍾超表示，在成品中，也可以用滅菌的方法，殺死大腸桿菌，或者換用益生菌。這些都帶給人們極大的想象空間。

（澎湃新聞記者 吳躍偉）