核心內容：
1. 利用基因工程改造的大腸桿菌生物被膜，構建出無機納米材料和細胞之間的相容性界面。
2. 成功構建了基于無機納米材料與細胞界面的高效、可循環利用的催化反應體系。
無機納米材料
無機納米材料（1 - 100nm）比表面積較大，因而具有較多的催化活性位點，是性能出色的納米催化劑。在實際使用中，人人常常會將納米催化劑固定在載體上，從而實現催化劑的循環利用，并避免二次污染。
傳統的納米催化劑固定載體缺點
傳統的納米催化劑固定載體都有不足之處：無機材料（如二氧化硅微球）需要復雜的合成工藝；生物大分子（如DNA、蛋白纖維和噬菌體纖維）則難于規模化生產。此外，這些載體都不能像生物體系一樣具有靈活的功能，并能夠自我再生。
納米材料與細胞結合挑戰
近年來，將納米材料直接負載于活細胞表面的方法備受關注。這種雜化體系整合了納米材料和活細胞的優點，并且已被證明適用于生物能源生產、生物修復等領域。然而，納米材料與細胞間的結合力較小，二者之間的直接接觸還會對細胞本身產生毒害作用。因此，如何構建納米材料與細胞之間更加牢固、兼容性更高的界面仍是挑戰。
成果簡介
有鑒于此，上海科技大學鐘超課題組將目光投向細菌生物被膜（bacterial biofilm），利用基因工程改造的大腸桿菌生物被膜構建出無機納米材料和細胞之間的相容性界面，并成功構建了基于此界面的高效、可循環利用的催化反應體系。
圖1. 工程改造的大腸桿菌生物被膜用于負載并固定無機納米材料，實現多種催化應用
要點1：利用基因工程改造實現無機材料在細胞表面大規模負載
細菌生物被膜是由細胞外基質包裹多個細胞而形成的整體結構，在自然界中廣泛存在。大腸桿菌生物被膜的主要蛋白成分是淀粉樣納米纖維，其分子生物學性質和自組裝機理已經得到較多研究。前期的研究也已經證明，大腸桿菌生物被膜可經基因工程改造而獲得新的功能。
在此研究中，研究者首先利用基因工程方法改造大腸桿菌，使其分泌帶有組氨酸標簽的淀粉樣蛋白纖維，隨后利用“NTA-Metal-His”的金屬配位化學方法，實現納米材料在大腸桿菌生物被膜表面的大規模負載。
要點2：構建出無機納米材料和細胞之間的相容性界面實現多種催化應用
研究者選取了與能源、環境密切相關的三個反應，進行了實例展示：
利用生物被膜負載的金納米顆粒，實現了可循環的對硝基苯酚還原反應。五個循環后轉化效率仍然維持在80%。
圖2. 對硝基苯酚的可循環還原
利用生物被膜負載的復合結構（金納米顆粒和量子點），實現了有機染料剛果紅的加速光降解反應。該反應體系中，有兩個因素共同促進了剛果紅光降解速率的提高：其一，生物被膜表面的疏水結構域吸附有機染料，對環境中的剛果紅進行了富集，從而增大了量子點附近的底物濃度，提高反應效率；其二，金納米顆粒和量子點共同負載于生物被膜表面，兩者之間距離較近，因此可以發生從量子點到金納米顆粒的電荷轉移，從而促進量子點中的電子空穴分離，提高光降解速率。
圖3. 剛果紅的光降解
利用生物被膜綁定的量子點，并結合另外一株表達氫化酶的菌株，在光照條件下產生氫氣。
圖4. 生物膜錨定量子點光照產氫
在實踐中，研究者發現在催化反應進行之后，納米材料依舊可以穩固負載于生物被膜表面，而細胞依然存活并能夠再生。
小結
本研究展示了如何將生物體獨特的動態特征與功能納米材料相結合，從而設計出高效、可循環利用的催化反應體系。這些體系可以用于解決生物修復、生物轉化和能源方面的重要問題。考慮到自然界中存在著各種各樣不同功能的生物被膜，本研究開發的反應體系起到了很好的示范作用，為開發更高效、更具工業意義的催化反應打下了堅實基礎。
參考文獻
Immobilization of functional nano-objects in living engineered bacterial biofilms for catalyticapplications
DOI: 10.1093/nsr/nwz104
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwz104/5540752
