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生物体是自然界中出色的建筑师，从螃蟹装配贝壳到人体组织构建骨骼，无不体现了生命的建造能力。如今，合成生物学家正试图掌控这一过程。最近，美国马萨诸塞州的研究人员在《自然—材料学》期刊上报告，他们通过改造细菌的基因回路，成功创建了兼具电子和光学功能的“活材料”，且材料内部保留了活细胞。

尽管这些新材料目前尚无法与传统电子器件媲美，但外部专家认为，这一成果为利用基因工程改良的生物体制造复合材料开启了新大门。“这是一个极为出色的研究。”杜克大学生物医学工程师Lingchong You评价道。

传统制造业往往能源密集、污染严重且对工人有害。如果我们能够利用细胞的力量来建造结构，就能使整个过程变得更加环保。”You补充说。此外，由于生物体能在纳米、微米乃至米级尺度上构建材料（如人体骨骼），这项新研究有望为工程材料增添前所未有的复杂性。

这并非首个将工程改良生物体与材料相结合的研究。例如，1999年，麻省理工学院（MIT）的Angela Belcher及其同事改造了病毒，用于装配半导体纳米粒子。此后，Belcher团队设计了病毒来建造锂电池电极、光伏电极，甚至能分解水产生氢燃料的催化剂。然而，由于病毒缺乏自身的细胞机器，这些材料并非“活的”，无法像细菌那样响应环境变化。

MIT合成生物学家Timothy Lu及其同事的新研究将生命世界与无生命世界结合在一起。“我们的想法是将生命世界和无生命世界融合，制作兼具活细胞和功能性的混合材料。”Lu说。他们选择大肠杆菌作为底盘，这种细菌能自然合作生产薄片状生物膜，并通过分泌卷曲菌毛纤维（由CsgA蛋白亚基重叠组成）将细菌彼此黏合及附着于表面。

在实验中，研究小组首先破坏了允许大肠杆菌制造CsgA的天然遗传途径，取而代之的是一种经改造的遗传回路：只有当添加化学触发剂AHL分子时，细菌才能产生CsgA。随后，他们设计了一批能产生短链CsgA（含组氨酸标签）的大肠杆菌，这些细菌仅在响应另一种化学触发物aTc时才会表达组氨酸标识的CsgA。当aTc加入后，大肠杆菌沉入薄膜，并捕获撒入烧杯的金纳米粒子，形成导电网络。

研究小组同时培养了两批大肠杆菌，通过在不同时间添加AHL和aTc来改变薄膜的构成。这种动态调控虽未直接添加新功能，但为绑定其他材料奠定了基础。在另一实验中，他们使用不同的肽段和化学触发剂，制作了能诱捕量子点（微小半导体粒子）的细菌，从而改变生物膜的光学性质。

Lu希望利用合成生物学的最新进展，编程细菌形成环形、栅栏等形状的“菌落”，为更复杂的结构（如电极、环境传感器和人造组织）奠定基础。最终，这些活材料可制成能自我修复的设备。此外，该技术还可用于吸收镉等环境毒素，或将材料重新用于光学和有机设备，甚至在矿藏勘探中发挥作用——例如，专门设计的细菌能从环境中收集黄金。不过，这些应用仍有很长的路要走，监管者还需确信基因改造细菌释放到环境中不会造成风险。