隨著合成生物學與材料科學的深度融合，利用活體微生物體系構(gòu)建功能材料已成為前沿研究熱點。在這一背景下，物質(zhì)學院鐘超課題組另辟蹊徑，通過先進的基因工程手段對細菌生物被膜進行精準改造，成功開發(fā)出一種新型的細菌生物被膜-無機納米雜化催化材料，并建立了相應(yīng)的純化流程，為高效、可持續(xù)的催化應(yīng)用開辟了新途徑。

傳統(tǒng)催化材料往往依賴貴金屬或苛刻的合成條件，存在成本高、能耗大、環(huán)境不友好等問題。而細菌生物被膜作為一種由微生物自身分泌的天然蛋白質(zhì)多聚物基質(zhì)，具有自組裝、環(huán)境響應(yīng)、可基因編程等獨特優(yōu)勢。鐘超課題組的研究核心在于，通過基因工程手段，對大腸桿菌等模式菌株的生物被膜主要組分——卷曲菌毛蛋白進行理性設(shè)計。研究團隊在蛋白序列中特異性引入了能夠強烈結(jié)合并引導無機納米顆粒（如金屬氧化物、貴金屬納米粒子）原位礦化的功能肽段。當工程菌在適宜條件下生長時，它們不僅能自發(fā)形成堅固、有序的三維生物被膜網(wǎng)絡(luò)，還能同步將溶液中的金屬前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為納米顆粒，并將其精確地固定在被膜纖維的特定位點上，從而實現(xiàn)無機納米催化劑在生物模板上的均勻、高密度負載。

這種雜化材料巧妙融合了生物大分子的有序性和無機納米顆粒的高催化活性。與物理混合或表面吸附法制備的雜化材料相比，這種基因指導的原位合成策略確保了無機相與生物相在分子尺度的緊密耦合與界面優(yōu)化，顯著提升了材料的穩(wěn)定性和活性位點的可及性。實驗表明，該雜化材料在多種重要催化反應(yīng)中，如硝基化合物還原、有機染料降解等，均展現(xiàn)出遠高于游離納米顆粒或傳統(tǒng)負載型催化劑的活性和循環(huán)使用穩(wěn)定性。生物被膜提供的柔性多孔結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳質(zhì)，而其固有的自修復特性也為材料的長壽命運行提供了可能。

材料的成功開發(fā)離不開高效的后續(xù)純化流程。課題組發(fā)展了一套溫和的物理-化學聯(lián)用純化策略：首先通過低速離心或過濾收獲菌體及形成的雜化被膜材料；隨后利用特定的緩沖液洗滌，去除未結(jié)合的菌體和游離納米顆粒；通過可控的酶處理或溫和的化學處理，在不破壞無機納米催化劑活性的前提下，部分降解或修飾生物被膜基質(zhì)，從而得到高純度、高催化活性的雜化材料粉末或固定化催化模塊。該純化流程高效、可控，為材料的規(guī)模化制備與應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

這項研究不僅展示了一種構(gòu)建高性能生物-無機雜化催化材料的創(chuàng)新范式，更凸顯了合成生物學在‘造物致用’方面的強大能力。通過基因編程對生命系統(tǒng)進行‘材料化’改造，使其按預(yù)設(shè)指令合成功能復合材料，為未來開發(fā)智能、自適應(yīng)、綠色低碳的下一代催化體系與功能材料提供了全新的思路和強大的工具箱。鐘超課題組的這一成果，標志著我國在生物啟發(fā)與生物制造交叉領(lǐng)域取得了重要進展，具有廣闊的科學意義與應(yīng)用前景。