在自然界中，許多海洋生物能夠合成具有優(yōu)異力學性能和自適應能力的復合材料，如鮑魚殼、珊瑚骨骼等。這些生物材料的核心秘密之一在于其高度有序的有機-無機復合結(jié)構與動態(tài)的礦化過程。上海科技大學鐘超研究員團隊在《Nature》子刊上發(fā)表的研究成果，將這一自然智慧與前沿合成生物學、材料科學相結(jié)合，開創(chuàng)性地利用光誘導技術，實現(xiàn)了對活性生物膜的梯度礦化精確調(diào)控，為開發(fā)具有動態(tài)響應和損傷修復功能的新型“活的復合材料”開辟了全新路徑。這項研究也為高效、定向提取與利用海洋生物活性物質(zhì)提供了革命性的技術思路。

一、 自然啟示：從海洋生物到“活的復合材料”

海洋是生物礦化的寶庫。許多海洋生物通過分泌特定的蛋白質(zhì)和多糖等生物大分子（即海洋生物活性物質(zhì)），在溫和條件下引導無機礦物（如碳酸鈣、二氧化硅）以特定的晶型、取向和梯度在有機基質(zhì)上沉積，形成強度高、韌性好的復合材料。更重要的是，這些過程是“活”的，由生物體自身的新陳代謝驅(qū)動，能夠響應環(huán)境變化并實現(xiàn)生長與修復。受此啟發(fā)，合成生物學致力于設計改造微生物（如工程細菌），使其成為生產(chǎn)特定材料或結(jié)構的“細胞工廠”。鐘超團隊的研究正是這一領域的杰出代表，他們創(chuàng)造了一種由工程大腸桿菌形成的活性生物膜，作為可編程的有機模板。

二、 光控魔法：實現(xiàn)梯度礦化的精密開關

研究的關鍵突破在于引入了“光”作為精確的時空控制開關。團隊對工程菌進行了改造，使其生物膜能分泌一種對藍光敏感的蛋白質(zhì)。在特定波長藍光的照射下，這種蛋白能高效地催化溶液中的前驅(qū)體形成無機礦物（如磷酸鈣），并沉積在生物膜上。

“梯度礦化”是模仿自然材料性能（如從堅硬到柔韌的漸變）的核心。通過控制光照的強度、時間和空間圖案，研究人員可以像“3D打印”一樣，在生物膜的不同位置誘導不同程度的礦化。例如，強光長時間照射區(qū)域礦化程度高，材料變硬；弱光或未照射區(qū)域則保持生物膜的柔軟和生物活性。這種能力使得一次性制造出力學性能呈梯度變化的復合材料成為可能，這是傳統(tǒng)材料加工方法難以實現(xiàn)的。

三、 動態(tài)響應與損傷修復：讓材料“活”起來

這種光誘導活性生物膜的最大優(yōu)勢在于其“活性”。由于基底是活的生物膜，其中包含大量活的工程菌：

1. 動態(tài)響應：材料可以根據(jù)外部光信號的改變，在已有結(jié)構上繼續(xù)引導礦物的沉積或調(diào)整，從而實現(xiàn)材料性能（如硬度、透光性）的動態(tài)、可逆調(diào)節(jié)。
2. 自主修復：當材料發(fā)生損傷時，只需在損傷部位施加光照，存活的工程菌就能“響應號召”，重新分泌催化蛋白，引導新的礦物在破損處沉積，實現(xiàn)損傷的自我修復。這模仿了生物體的愈合能力，極大地延長了材料的使用壽命和可靠性。

四、 應用前景與對海洋活性物質(zhì)提取的啟示

這項研究不僅展示了一種全新的智能材料制造范式，其原理和技術也對海洋生物活性物質(zhì)的提取與應用產(chǎn)生深遠影響：

1. 材料制造：在柔性電子、仿生機器人、自適應光學器件、骨組織工程支架等領域，這種可編程、可修復的梯度復合材料具有巨大應用潛力。
2. 仿生提取與合成：傳統(tǒng)從海洋生物（如鮑魚、海綿）中直接提取引導礦化的活性蛋白成本高昂、效率低下。鐘超團隊的工作指明了一條顛覆性路徑：無需直接從復雜生物體中艱難提取，而是通過解析其關鍵基因與功能，利用合成生物學手段在工程微生物中重組表達這些功能模塊（如光敏催化蛋白）。這相當于創(chuàng)建了高效、可控的“人工腺體”，能夠按需、定點生產(chǎn)目標活性物質(zhì)或其仿生類似物，實現(xiàn)海洋生物活性物質(zhì)功能的規(guī)模化、工程化利用。

結(jié)論

上海科技大學鐘超團隊在《Nature》子刊上的這項研究，巧妙地將合成生物學、光遺傳學與材料科學融合，成功復制并升級了海洋生物的精妙礦化策略。他們所開發(fā)的光誘導活性生物膜平臺，不僅實現(xiàn)了復合材料從“靜態(tài)制造”到“動態(tài)生長”的飛躍，賦予了材料感知、響應和自修復的生命特征，也為高效開發(fā)和利用海洋生物活性物質(zhì)的功能提供了強大的工程化工具箱。這標志著我們向創(chuàng)造真正意義上的“活”的智能材料邁出了關鍵一步，由光指引生長的、能夠自我修復的仿生設備或許將從實驗室走向廣闊的應用海洋。