自然界中，各種不同類群的微生物在多種不同的環(huán)境中生長定植，例如，土壤微生物、腸道微生物等。微生物之間以及其定植環(huán)境（材料）的互作，在生物地球化學(xué)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)平衡和人體健康等發(fā)揮重要的功能。
通過道法自然界中材料與微生物界面互作，近年來發(fā)展的材料-微生物人工雜合體系，利用材料實(shí)現(xiàn)對微生物的功能調(diào)控，賦予微生物細(xì)胞新的功能或活性，在人工光合作用、藥物遞送、CO2固定、微生物燃料電池和活體功能材料領(lǐng)域都顯示出較大的潛力。例如，通過高效吸收光能的半導(dǎo)體材料與微生物結(jié)合，將光合作用效率低的天然光合生物變?yōu)楦咝Вǖ托У礁咝мD(zhuǎn)變），將不能利用光能的微生物轉(zhuǎn)變?yōu)槔霉饽転榘麅?nèi)代謝提供能量（能到不能轉(zhuǎn)變）。但材料-微生物人工雜合體系目前還處于概念驗(yàn)證階段，將非生物的材料與生物體系結(jié)合并有效發(fā)揮功能挑戰(zhàn)主要有兩方面：1）非生物材料（包括無機(jī)和有機(jī)）的生物相容性、穩(wěn)定性和功能性不佳，難兼?zhèn)洌?）材料-微生物界面能量和物質(zhì)傳遞和轉(zhuǎn)化機(jī)制不清、效率低。如何構(gòu)建高效調(diào)控微生物功能的材料及界面是該領(lǐng)域核心問題。
2022年10月24日，Nature Chemistry 期刊發(fā)表的一篇題為：A Soil-Inspired Dynamically Responsive Chemical System for Microbial Modulation 的研究論文，報道了一種動態(tài)響應(yīng)的土壤仿生材料，與微生物互作，實(shí)現(xiàn)對微生物活性調(diào)控，可以潛在應(yīng)用于生物制造和腸道微生物相關(guān)疾病治療。
芝加哥大學(xué)田博之教授和林藝良為通訊作者，林藝良（現(xiàn)為新加坡國立大學(xué)助理教授）、高翔（現(xiàn)為深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物研究所副研究員）、岳繼平和方寅（現(xiàn)為新加坡南洋理工大學(xué)助理教授）為論文第一作者和共同第一作者。
在自然界中，土壤是龐大微生物群落的棲息環(huán)境，而且土壤孔隙中的獨(dú)特微環(huán)境孕育了非常豐富的微生物群體和良好的材料-生物界面。團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)設(shè)計(jì)并合成出一種新的應(yīng)激響應(yīng)型“化學(xué)系統(tǒng)”，由蒙脫土（一種天然土壤組分）、淀粉顆粒和液態(tài)金屬組成，該系統(tǒng)導(dǎo)電性對機(jī)械力、激光和化學(xué)溶劑具有動態(tài)響應(yīng)性。通過該“化學(xué)系統(tǒng)”與微生物互作，不僅在體外可以增強(qiáng)生物被膜的生長和提高微生物合成化學(xué)品的產(chǎn)量，還可以在小鼠體內(nèi)還能夠調(diào)節(jié)腸道菌群失調(diào)，恢復(fù)腸道微生態(tài)和治療潰瘍性結(jié)腸炎。
土壤被公認(rèn)是地球系統(tǒng)生物多樣性最為復(fù)雜和豐富的環(huán)境，目前已知每克土壤中微生物的數(shù)量可達(dá)上百億個，種類可達(dá)上百萬種。因此，土壤與土壤微生物結(jié)合組成了一種天然高效的雜合體界面，其中土壤顆粒含有礦物質(zhì)固體，形成一種高度孔隙結(jié)構(gòu)（空隙約占體積50%），內(nèi)含有機(jī)物和液體等可隨外部環(huán)境變化發(fā)生動態(tài)改變，土壤微生物均生活在孔隙之中，與土壤緊密互作。土壤異質(zhì)組成、獨(dú)特空間結(jié)構(gòu)以及動態(tài)響應(yīng)性質(zhì)為土壤微生物多樣性提供必要條件。團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，推測合成一種類似土壤的“化學(xué)系統(tǒng)”，可以提供一種理想的材料-微生物界面，實(shí)現(xiàn)對微生物功能的調(diào)控。
圖4. 多尺度表征技術(shù)證明多孔土壤仿生材料的合成
天然土壤的性質(zhì)是隨環(huán)境發(fā)生動態(tài)變化，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步考察上述合成的材料是否也可以具備動態(tài)響應(yīng)的能力，即通過合成后修飾的方法為材料增加新的功能。研究團(tuán)隊(duì)首先利用機(jī)械力在材料上壓出一條凹痕，實(shí)現(xiàn)將不導(dǎo)電的材料變成導(dǎo)電；同樣利用激光照射，對材料進(jìn)行燒結(jié)，也可以使材料導(dǎo)電。推測機(jī)械力或激光照射對材料形成局部壓力，迫使淀粉顆粒和礦物質(zhì)表面的液態(tài)金屬顆粒發(fā)生形變和重新分布，可以跨過空隙結(jié)構(gòu)，形成連續(xù)的液態(tài)金屬線路，從而具有導(dǎo)電性，這一過程，我們稱為導(dǎo)電功能的“寫入”；進(jìn)一步通過加入有機(jī)溶劑，又可以將導(dǎo)電的材料恢復(fù)成原始不導(dǎo)電，實(shí)現(xiàn)“擦除”。證實(shí)該材料可以動態(tài)響應(yīng)外界物理或化學(xué)刺激實(shí)現(xiàn)在電學(xué)性能方面的“寫入”和“擦除”。
圖5. 土壤仿生材料的導(dǎo)電性對機(jī)械力、激光和化學(xué)溶劑動態(tài)響應(yīng)性
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展土壤仿生材料對微生物功能調(diào)控的研究。之前有研究表明微生物電信號調(diào)控枯草芽孢桿菌生物被膜的生長（Cell 168, 200–209 (2017).），因此研究團(tuán)隊(duì)利用經(jīng)過激光處理前和后的材料培養(yǎng)生物被膜，發(fā)現(xiàn)處理后材料生物被膜生長面積比處理前提高了43%。另一個實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)該材料也可以促進(jìn)大腸桿菌生長和合成乙酸的產(chǎn)量。最后，研究團(tuán)隊(duì)開展土壤仿生材料調(diào)控腸道微生物的研究，分別構(gòu)建四環(huán)素誘導(dǎo)形成腸道菌群紊亂和葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)形成急性的潰瘍性腸炎模型的小鼠，通過喂食土壤仿生材料可以顯著恢復(fù)腸道菌群紊亂和治療潰瘍性結(jié)腸炎的效果。
