文献信息：
作者：Austin J. Graham, Gina Partipilo, Christopher M. Dundas, Ismar E. Miniel Mahfoud, Kathleen N. Halwachs, Alexis J. Holwerda, Trevor R. Simmons, Thomas M. FitzSimons, Sarah M. Coleman, Rebecca Rinehart, Darian Chiu, Avery E. Tyndall, Kenneth C. Sajbel, Adrianne M. Rosales, Benjamin K. Keitz
发表时间：23 May2024
https://doi.org/10.1038/s41589-024-01628-y
Nature Communications 影响因子：16.6
背景介绍
工程活体材料是一类融合生物系统与合成材料优势的新型智能材料。通过遗传编程与代谢调控，它们不仅能感知环境变化，还能主动响应并调整自身性能，实现材料级别的动态功能控制，为组织工程、生物传感、药物递送等领域带来全新可能。
然而，传统活体材料往往面临“感知”与“响应”脱节的问题：细胞虽能感知信号，却难以直接调控材料结构；而材料虽可响应刺激，却缺乏生物层面的智能调控。为打通这一“信息壁垒”，本研究引入微生物胞外电子传递（EET）机制，作为连接细胞代谢与材料性能的“生物电桥梁”。
具体而言，研究者利用电活性微生物 Shewanella oneidensis 的胞外电子传递能力，将其电子输出与铜催化剂的氧化还原反应耦合，从而控制水凝胶的交联过程。通过这一策略，细胞不仅能“感知”外界信号，还能“指挥”材料发生结构变化。
在此基础上，研究团队进一步引入合成生物学设计逻辑，构建出转录布尔逻辑门，使细胞能够根据多种分子输入的组合做出判断，并调控相关基因的表达，从而精确控制材料的力学性能。这种“聚合物网络”不仅具备生物响应性，还能执行逻辑运算，实现“生物计算”。
图文解读
图1 | 细菌感知与计算驱动材料力学
示意图展示由转录逻辑驱动的计算聚合物网络。S. oneidensis作为网络前体溶液中的分布式计算元件，输入信号激活（或抑制）EET通路蛋白（mtrC）的表达。mtrC在转录调控下产生不同强度的EET通量，控制催化金属的氧化还原状态；金属被还原后驱动ATRP或CuAAC等化学反应，形成力学性能与生物计算耦合的活体合成聚合物网络。由Biorender.com创建。
图2 | 对EET蛋白的转录控制实现可通过接种密度、诱导剂浓度和反应时间动态调节的交联
a 示意图展示静止相与动态交联：动态条件下，naïve细胞仅在接种至预凝胶混合物后暴露于诱导剂。由Biorender.com创建
b 静止相交联下，凝胶储能模量随诱导剂浓度呈典型转录调控；虚线为诱导空载株凝胶储能模量
c 动态相交联下，凝胶储能模量随诱导剂浓度呈典型转录调控；对应空载敲除株未形成凝胶
d 流式细胞术直方图：LacI–PtacsymO调控的His-与StrepTagII-AlexaFluor 647标记mtrC突变体在1 mM IPTG诱导与0 mM基底表达间差异
e 18 h收获凝胶与Fe(III)-ferrozine孵育后的储能模量及颜色变化百分比；10 min颜色变化作为包埋细菌还原能力指标
f 动态交联条件下，不同细胞接种量与反应时间可及的储能模量动态范围，无需预表达mtrC（热图n=1）。数据为n=3生物学重复的mean±s.e.m.
图3 | 通过荧光门参数化对mtrC的转录调控实现对聚合物网络力学的可预测控制
a–c 相对表达单元（REU）随诱导剂浓度变化显示多种传统缓冲门架构的转录调控特征动态范围：IPTG（a）、OC6（b）、ATC（c）。
d 表达sfgfp的NOT门架构，阴影区REU>0.3表示水凝胶力学失控的近似诱导水平。
e 荧光电路参数化用于活体材料的反馈回路示意图，由Biorender.com创建。
f–h 对应a–c电路通过mtrC表达动态交联的甲基化PEG聚合物网络储能模量，接种后18 h测定：IPTG（f）、OC6（g）、ATC（h）。
i 24 h后表达mtrC的NOT门架构储能模量。
j 各电路荧光值与储能模量归一化后（最大诱导或NOT门最小诱导）对比，验证荧光表征与材料响应一致性，身份线（y=x）显示Pearson R=0.5761，P<0.0007。数据为n=3生物学重复的mean±s.e.m.。
图4 | 遗传布尔逻辑通过活细胞驱动实现聚合物网络计算
a 采用嵌套阻遏子的逻辑架构，通过布尔逻辑（OR、NOR、AND、NAND）协调sfgfp或mtrC的表达。预期真值表列于各图下方（0，‘OFF’；1，‘ON’）。阻遏子由其对应诱导分子激活或抑制（100 µM IPTG、100 nM OC6、10 nM ATC）。由Biorender.com创建。
b–e 控制sfgfp或eyfp的布尔逻辑电路相对基因表达（REU）：OR（b）、NOR（c）、NAND（d）、AND（e）。
f–i 接种后24 h测定的储能模量，对应控制mtrC的布尔逻辑电路：OR（f）、NOR（g）、NAND（h）、AND（i）。虚线表示对应敲除株携带sfgfp空载的凝胶力学对照；若无虚线，则敲除株未形成凝胶。统计采用一般线性假设检验（对比检验）比较‘OFF’与‘ON’状态。*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001。R脚本见“数据可用性”部分，数据为n=3生物学重复的mean±s.e.m.。
图5 | EET驱动CuAAC交联拓展活体材料化学
a 示意图显示四臂炔基与叠氮聚合物交联形成力学可调三唑网络，由Biorender.com创建。
b,c CuAAC交联聚合物网络可通过EET转录调控，分别采用buffer（b）与NOT门（c）架构。数据为n=3生物学重复的mean±s.e.m.。
d–g 遗传布尔逻辑通过mtrC表达实现交联，对应OR（d）、NOR（e）、NAND（f）与AND（g）架构。所有情况下储能模量于接种后12 h测定，真值表列于各电路下方（0，‘OFF’；1，‘ON’）。统计采用一般线性假设检验（对比检验）比较‘OFF’与‘ON’状态。*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。R脚本见“数据可用性”部分，数据为n=3生物学重复的mean±s.e.m.，完整统计摘要见补充信息。
图6 | 成纤维细胞形态由遗传布尔调控下活体材料力学决定
a 示意图展示EET调控水凝胶制备及真皮成纤维细胞接种流程。布尔逻辑程序通过mtrC表达交联，改变活体材料刚度，进而驱动成纤维细胞铺展与圆度（以4π(面积/周长²)测量）。由Biorender.com创建。
b–e 水凝胶接种18–20 h后成纤维细胞的落射荧光显微图像，用罗丹明鬼笔环肽（红）与DAPI（蓝）染色，分别对应OR（b）、NOR（c）、AND（d）与NAND（e）门交联条件。比例尺，100 µm。
f–i 成纤维细胞圆度随布尔逻辑驱动EET交联水凝胶的变化，对应OR（f）、NOR（g）、NAND（h）与AND（i）架构。仅测量单核颗粒，每个条件来自2或3个水凝胶，不少于25个颗粒。预期真值表列于各电路下方（0，‘OFF’；1，‘ON’），y轴取1−圆度使‘0’对应‘OFF’且表示完美圆形。统计采用一般线性假设检验（对比检验）比较‘OFF’与‘ON’状态。*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，****P < 0.0001。R脚本见“数据可用性”部分，完整统计摘要见补充信息。
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