W&M iGEM团队为活细胞制成的材料开发生物膜
材料科学的下一件大事可能已经在这里了——它正在堵塞你的莲蓬头。
威廉玛丽学院的生物学校长玛格丽特·萨哈（Margaret Saha）说：“下次你再看里面的粘稠物时，想想‘生物膜’和‘材料工程的未来’。”
生物膜是今年W&M iGEM团队的研究重点，iGEM是国际基因工程机器的缩写。这群本科生正准备连续第六年参加世界上最大的合成生物学竞赛。Saha在这六年中一直担任iGEM的指导老师。
他们今年的目标是创造一种由工程生物膜制成的可编程涂层。有生命的东西通常不是可编程的，但这正是iGEM的意义所在。每个iGEM团队都会收到一个生物砖的入门套件，这是一种可以组装成生物电路的生物分子组件，就像电气工程师将电阻和二极管组装成电路一样。
整个夏天，该团队开发了使用BioBricks和他们设计的其他新部件来构建生物系统并在活细胞中操作的方法。今年，他们计划使用工程生物膜作为活体生物材料的基础。
该团队主要研究大肠杆菌，并开发了一个强大的、可编程的大肠杆菌生物膜工具包。他们也在与分枝杆菌合作，目的是使这个物种成为生物膜基材料的新基础。
这不是一项简单的任务。生物膜必须足够坚固，以便在广泛的应用中发挥作用，比如涂覆金属或包扎伤口，而且它必须足够温顺，以便留在放置的地方。
“控制是这个项目的关键方面之一，”21岁的朱莉娅·厄本（Julia Urban）说，她是该团队的联合队长。“如果你在现实世界中使用这种材料，而且它是一个活的有机体，你最好能够控制它。”
该团队已经创造出生物膜，当受到蓝光照射时，它会呈现出特定的图案。例如，他们把蓝光投射成一个星星的形状，生物膜就呈现出这个星星的形状。他们对细菌生物膜内的基因进行编码，以表达一种粘附蛋白或表型，当暴露在特定波长的光下时，这种蛋白会使细胞形成图案。
“我们有那种程度的空间控制，”厄本说。除了厄本，球队成员还有21岁的亚当·奥利弗、21岁的方祥怡、22岁的Beteel Abu-Ageel、22岁的Sanjana Challa、22岁的Elias Nafziger、20岁的彭汉秋、20岁的Vivian Zhu和22岁的Anna Isler。
W&M的项目将于10月31日在波士顿举行的iGEM Giant Jamboree上与世界主要研究机构的其他项目进行评选。获胜者将把所谓的“科学世界杯”带回家。
这是该大学之前获得的冠军头衔。William & 玛丽团队在2015年获得了iGEM大奖，在2017年获得了亚军，并在他们参加的所有iGEM比赛中获得了奖牌。
这项竞赛要求学生同时成为工程师、化学家、生物学家、数学家和计算机科学家。这就是21世纪科学的发展方式——以团队为基础、多学科、定量，并专注于寻找难题的解决方案。
今年的团队由运动机能学与健康科学、生物学、数学、计算机科学和计算与应用数学与统计学（CAMS）专业的学生组成。他们的目标比在巨人大会上获胜更高。
厄本解释说，蓝光实验仅仅是个开始。斯坦福大学的一组研究人员最近将细菌改造成具有光学反应的图案生物膜。W&M iGEM团队成功地在佳博体育里重复了这个实验，并看到了他们如何改进结果。他们决定更进一步，设计出一种可以承受佳博体育之外生命的生物膜。
“我们的项目开始于使用我们从斯坦福大学生物工程师那里得到的这种结构，但我们发现他们使用的蛋白质形成了较弱的生物膜。它不够强大，”厄本说。“我们项目的一个重点是开发一个粘性蛋白质库，称为粘附素，使薄膜更坚固，因此它可用于现实世界的应用。”
该项目的另一个方面是开发生物膜的模式，以便其中的细菌可以分裂并执行不同的任务。生物膜是指细菌群落和它们在内部形成的细胞外基质，副队长方向义解释说。生物膜可以形成图案，使其中的细菌分裂并执行各种任务。
“这是一种劳动分工，”厄本说。“生物膜可以同时发生不同的事情。如果我们试图模仿现实生活中的系统，比如使用一片生物膜来愈合伤口，它就需要能够对这一过程的不同方面做出反应。”
联合机长亚当·奥利弗（Adam Oliver）解释说，分散细胞劳动的一个主要好处是，一个集群可以负责维护。图案将使生物膜内的细菌有可能对膜变弱的信号作出反应，并努力修复它。
“如果你仔细想想，所有的材料都只是化学物质，”奥利弗说。“你创造了一种材料，随着时间的推移，它会被侵蚀掉。但是生物材料能够自我修复和自我复制。我们已经习惯了必须更换金属涂层的想法，但如果你有这些生物膜材料，它们就可以自我修复。”
厄本去年和奥利弗、方一起参加了iGEM团队，她说，一位受邀演讲者在巨人大会上说了一句话，直到今天她还在听。他投影了一张桌子的照片。上面有一台电脑、一部智能手机和一株室内植物。他要求观众在照片中找出最先进的技术。
“这是室内植物，”厄本说。“生物体将永远能够做更多的事情，并以计算机无法做到的方式对环境做出反应。如果坏了，它可以自我修复。我认为这就是未来。”
