《材料合成生物学》对材料合成生物学这一蓬勃发展的新兴交叉领域进行了系统性梳理和介绍。*先对可作为构筑单元的生物源材料进行了系统阐述，随后对"活"材料的设计与应用展开了详尽论述。具体而言，第1章阐述了材料合成生物学的核心理念与基础概念，为后续章节奠定了坚实的理论基础。紧接着，第2和3章聚焦于聚乳酸与聚羟基脂肪酸酯这两大生物可降解材料的生产和应用；第4～13章深入探讨蛋白质、多糖及核酸等生物大分子材料的设计原理与实践应用；第14～19章对工程活体材料的设计理念、从实际应用到加工技术进行了总结，全方位展示了其在智能响应、自我修复及环境适应性等方面的应用，为材料的未来发展开辟了全新的路径。第20章探讨了材料合成生物学领域可能的发展方向与趋势。

第1章材料合成生物学概述
　　在不久的将来，我们的日常生活将发生翻天覆地的变化：皮包不再是传统皮革的制品，而是由蘑菇菌丝巧妙编织而成；餐桌上的培根，也不再来源于猪肉，而是蘑菇经过精心培育的杰作；牛肉，无需宰杀牲畜，可以直接在实验室里“培养”出来；疫苗，不再依赖于复杂的生产线，而是有可能直接从地里“长出来”；衣服，在完成使命后，可以直接自然降解，回归土地；汽油，不再是石油的衍生品，而是微生物直接生产的清洁能源。
　　这些曾经只存在于科幻小说中的场景，如今正逐渐变为现实。这一切的变革，都离不开合成生物学的迅猛发展。合成生物学作为一门新兴的交叉学科，将生物学的原理与工程学的手段相结合，推动了材料科学的跨越式进步。它不仅改变了我们获取和使用材料的方式，更在潜移默化中改写着人类的生活方式。材料合成生物学正是这一变革浪潮中的璀瓌明珠，它站在材料与生物的交叉领域，将两者的优势巧妙融合，为人类社会带来了前所未有的创新机遇。
　　1.1材料合成生物学的发展和概念
　　生物界的材料（如贝壳、蝴蛛丝、骨骼等）具有许多优异的性能，如高机械强度，长期以来为材料科学提供了灵感。仿生材料领域通过模仿这些生物材料的天然结构和原理，己经制备出一系列优异的功能材料（Zhao et al.，2014；Wegst et al.，2015；Naik and Singamaneni，2017）。然而，尽管仿生学取得了显著进展，许多天然材料的特性仍难以通过传统合成手段复制或实现。究其原因，在于自然材料的生成过程往往由活细胞完成，即细胞能够感知和处理环境信号，通过体内的信号传导和基因调控网络来控制材料的生物合成、组装、功能化乃至降解。相比之下，传统材料制造过程缺乏这种由活体系统动态调控的机制。因此，将合成生物学引入材料科学，为材料设计提供了全新的范式：通过理性地设计细胞的感应和遗传基因回路，将外界信息转化为材料的性质和功能（Chen et al.，2015）。CRISPR基因编辑技术的发展可以实现更快、更精确的底盘细胞改造（Pickar-Oliver et al.，2019），这些改造赋予了材料诸如自组装、自修复、环境响应、适应进化等特性。
　　材料合成生物学正是在这一背景下兴起，结合了合成生物学、材料科学、工程学等多个学科的知识和方法，以创造和设计具有生命特征的新型活材料为研究目标，不仅拓宽了传统材料科学的边界，还深化了对生命过程的理解，促进了生命科学与工程学的深度融合（Tang et al.，2021）。该领域的发展受到多方面驱动：一方面，可持续发展和绿色制造的需求促使人们寻找生物替代方案来生产材料；另一方面，生物材料自身的智能性和复杂结构吸引科研人员尝试将生命特征引入人工材料中。另外，合成生物学近年来的迅速发展也为这一交叉领域提供了有力工具和技术支撑（Yanetal.，2023；Khalil et al.，2010）。以下关键技术的进展在材料合成生物学中尤为重要。
　　（1）基因电路设计：通过设计合成基因线路，实现对细胞行为的精确编程，使细胞按照预定逻辑响应环境并产生所需产物。例如，研究者可以重新布线细胞的信号传导途径，将外部刺激与特定基因表达关联，从而控制材料的合成启动或功能表达。这种基因电路就像细胞内的“程序”，赋予材料生成过程高度可控的特性。
　　（2）代谢途径重构：通过代谢工程改造细胞内部的生化通路，使其合成目标分子或材料前体。传统上，人们利用微生物发酵生产一些高分子材料的单体（如聚合物前体），但早期的这些材料产物本身并不具有生物系统的动态功能。如今，合成生物学可以将全新的代谢途径导入细胞，“按需”生物合成出过去依赖石化工业的材料。例如，工程化的微生物细胞工厂能够制造生物基塑料单体或功能高分子，为材料合成提供可再生且*特的分子积木。
　　（3）细胞工厂构建：综合运用基因电路和代谢工程，将微生物细胞打造为高效的材料生产工厂。通过优化代谢流和产物分泌途径，工程菌可以高产地合成材料组分，如大量表达结构蛋白、胶原、纤维素等，用于后续材料的提取和制备。与传统化工工厂不同，细胞工厂具有原料可再生、条件温和、过程可生物降解等优势，在规模化制备材料时更加环保。
　　借助上述技术，近年来材料合成生物学取得了大量成功案例。例如，研究者利用工程细胞合成出可降解的生物塑料（Zhang et al.，2020），或者通过细胞合成路径显著简化了复杂分子的制备过程（Jullesson et al.，2015）。然而，该领域仍存在诸多挑战。*先，如何精确调控活细胞构建材料的过程仍未完全解决。生物体系复杂且具有非线性，工程化细胞在长期培养中可能出现变异或失去功能，给材料性能的一致性和可预测性带来困难。其次，跨尺度整合的难题依然突出，即如何将分子层面的设计意图传递并实现到宏观材料结构，这是获得稳定功能材料所必须克服的。再次，生物安全和伦理问题也需要关注，如包含活细胞的材料在应用于开放环境时可能带来的生态风险或监管挑战。此外，规模化与成本也是一大瓶颈，将实验室的新颖材料生产方法转化为工业可行的工艺需要克服成本、产率等方面的障碍。面向未来，随着基因编辑（如CRISPR）、合成基因组学和计算机辅助生物设计等技术的进步，这些问题有望逐步得到解决。总体而言，材料合成生物学正沿着由简单到复杂、由封闭到开放应用的路径快速发展，在实现材料科学新突破方面被寄予厚望。
　　1.2材料合成生物学研究范畴
　　材料合成生物学的研究内容涵盖多个层次，从分子自组装到宏观结构，主要包括自组织生物材料（也可以称为生物源材料）和活体功能材料（又称工程活体材料或者活材料）（Tang et al.，2021）。自组织生物材料是指利用生物分子天然的自组装机制来构筑材料，使材料在微观上形成有序的结构单元，并由此产生宏观功能。许多生物体系都体现出自组织特性，例如，细胞内的蛋白质、脂类、核酸等组分常常通过非共价相互作用在时空上有序排列，形成分级结构，从而赋予生物体机械稳定性或功能调控能力。受此启发，研究者设计了各类可以自组装的生物大分子，用于材料构建。合成生物学为定制这些分子构件提供了方案一通过基因工程修改分子的氨基酸序列或结构域设计，可以获得具备特定组装性质的蛋白质、多肽或DNA结构单元。这些模块在细胞内合成并提取出来，便可在适当条件下自发组装成多尺度的材料结构。典型例子包括蜘蛛丝蛋白的自组装（Teul6 et al.，2009）。蜘蛛丝以其优异的机械性能著称，其强度和韧性源于蜘蛛丝蛋白在特定条件下形成的高度有序纤维结构。通过合成生物学手段，研究者己经能够在异源生物（如大肠杆菌、酵母甚至植物细胞）中表达蜘蛛丝蛋白，并让这些蛋白质在体外自行组装成纤维（Whittall et al.，2021）。研究表明，蜘蛛丝蛋白的组成和结构与其性能密切相关，合成生物学的进展使人们可以仿照自然设计出具有不同长度、重复序列和化学修饰的蜘蛛丝蛋白，从而调控其组装行为和*终力学性能（Whittall et al.，2021）。这些重组蜘蛛丝材料不仅保留了天然蜘蛛丝的生物相容、可降解等优点，而且通过分子设计拓展了新的功能，在生物医用材料领域展现出广阔的应用前景。
　　除了蛋白质，自组织生物材料还包括DNA或RNA寡聚体、病毒外壳、胶原和其他生物高分子。DNA“折纸术”利用核酸序列特异性互补配对可以构建纳米尺度的多种形状（Dey et al.，2021）。在微生物材料方面，大肠杆菌的Curli纤维是研究得比较透彻的自组装体系。Curli纤维由细菌分泌的CsgA蛋白聚合形成，是大肠杆菌生物被膜的重要骨架（Van Gerven et al.，2015）。科研人员己经成功改造该体系，使CsgA蛋白在融合各种功能蛋白肽之后依然能够自组装成纳米纤维，从而赋予材料不同功能（如催化、导电、水下黏合等）（Courchesne et al.，2018;Zhong et al.，2014）。总的来说，自组织生物材料利用生物分子自身的装配属性，实现了材料从下而上的构筑。这种策略往往能得到精细且高度规则的结构，并通过分子设计直接将功能编程进材料之中，为构建功能化纳米材料和智能材料提供了重要途径。
　　活体功能材料（又称工程活体材料）是材料合成生物学中更具革命性的一个研究方向，即让活细胞成为材料的一部分，这种材料由活细胞与其他支架或胞外基质共同构成，细胞在其中能持续地感知环境并作出响应，赋予材料环境适应性和智能调控能力（An et al.，2023;Rodrigo-Navarro et al.，2021）。与传统材料相比，活体功能材料可以像生物体一样生长、自修复、进行新陈代谢并执行特定功能，例如，材料中的细胞可以被设计为遇到特定化学物质时改变材料性质，或者周期性地修补材料中的损伤（Rivera-Tarazona et al.，2021）。这种活体材料概念在2010年代中期开始兴起，被视为开创了材料设计的新范式（Chen et al.，2014;2015）。例如，在环境治理方面，通过工程化大肠杆菌，使其携带一个汞离子感应基因电路，当环境中出现剧毒的汞离子时，细胞内的MerR抑制蛋白被解除抑制，从而启动下游基因的表达，CsgA蛋白会被分泌到细胞外自组装形成黏性生物被膜基质。Curli纤维对重金属离子（如汞离子）有很强的结合能力，工程菌迅速形成的生物被膜网络便将汞离子捕获固定在基质中，达到从环境中清除汞的效果（Tay et al.，2017）。这类活体材料相当于一个智能生物海绵，能自主检测污染并加以去除，实现了生物修复功能。更重要的是，只要有充足的营养，材料中的细胞可以持续存活并发挥作用，赋予材料长期作用力，这一点是传统材料难以实现的。
　　除了环境传感和修复，活体功能材料在许多领域都展现出创造性应用。例如，在生物医用领域，将工程化细胞嵌入水凝胶，制成活体水凝胶敷料，可以根据伤口微环境动态释放药物或生长因子，加速愈合过程（Rodrigo-Navarro et al.，2021）。再如，在黏合剂领域，研究者制作了生物被膜活胶水。通过基因工程修改枯草芽孢杆菌，使其生物被膜中的关键蛋白（TasA和BslA）分别融合了贻贝黏附蛋白Mefp5和Mfp3的片段，并让细胞分泌一种酪氨酸酶催化蛋白质中的酪氨酸形成多巴（DOPA）（Zhang et al.，2019）。多巴基团可使生物膜具备类似贻贝足丝的黏附性能，从而得到可自主生成和重塑的胶黏材料。这种活体胶水在湿润环境下依然有效，且材料中的细菌可逐渐生长填充新的空间，使黏合界面具有自我愈合能力。综上，活体功能材料通过将细胞工厂嵌入材料内部，实现了材料功能的程序化和可演化特性。细胞在材料中既提供源源不断的功能物质，又充当了环境感应器和响应器，使材料能够根据外界条件调整自身属性。随着对细胞与材料界面相互作用机制的深入研究，这类智能材料的性能将进一步提升，并扩展到更多元的应用场景。
　　材料合成生物学作为一门新兴交叉学科，未来的发展前景非常广阔。从技术路径上看，研究者将致力于开发更加复杂稳健的生物系统，以拓展材料功能的边界。例如，更高级的合成基因线路和细胞通信体系可赋予材料更灵敏和多样的响应行为；多物种工程（合成微生物群落）有望用于构建具有分工合作功能的材料体系；再结合机器学习和计算设计可优化生物材料的序列与结构，使材料性能实现按需定制。此外，新型底盘细胞（如光合菌、放线菌或真菌等）的挖掘和利用，将为材料合成带来不同于传统模式生物的新特性，进一步丰富材料的类型。可以预见，自我进化、自适应的材料将在未来出现，例如，材料中的细胞能够根据使用频率不断优化自身产物，使材料随着使用时间的延长而获得更好的效果；又如，
　　材料能够记录环境刺激，从而具备某种“记忆”效应。这些功能目前仍属于概念阶段，但随着生物学与材料科学的深入融合，有望逐步成为现实。
　　产业方面，材料合成生物学可能引发新一轮产业革命。生物制造将重构材料生产的范式，带来分布式、低能耗的生产模式。例

目录
第1章 材料合成生物学概述 1
1.1 材料合成生物学的发展和概念 1
1.2 材料合成生物学研究范畴 3
1.3 材料合成生物学全球布局 5
1.3.1 美国：战略引领与系统性投入 5
1.3.2 欧盟：政策驱动与产业转型 6
1.3.3 德国：基础研究与应用转化并重 7
1.3.4 中国：国家战略持续布局 8
1.4 全书脉络 8
参考文献 8
第2章 聚乳酸材料 10
2.1 聚乳酸的材料特性 10
2.1.1 热性能与机械性能 10
2.1.2 影响材料性能的因素 11
2.1.3 绿色特性 12
2.2 聚乳酸的应用领域 12
2.2.1 包装材料 12
2.2.2 医疗材料 13
2.2.3 农业材料 14
2.2.4 纺织品和服装材料 14
2.2.5 3D打印材料 14
2.3 聚乳酸的胞外合成 15
2.3.1 乳酸单体的生物合成途径 16
2.3.2 化学催化乳酸聚合成聚乳酸 21
2.4 聚乳酸的胞内合成 22
2.4.1 聚乳酸的胞内合成途径和代谢途径优化 22
2.4.2 聚乳酸胞内合成的关键酶 24
2.4.3 聚乳酸胞内合成的碳源选择 27
2.4.4 胞内聚乳酸产物的分离纯化与检测 28
2.4.5 聚乳酸胞内合成的主要挑战和研究方向 30
2.5 聚乳酸的改性赋能 31
2.5.1 微生物法合成聚（乳酸-co-3-羟基丁酸酯） 31
2.5.2 其他单体与乳酸共聚 36
2.6 聚乳酸材料的挑战和限制 37
2.6.1 生产成本和经济可行性 38
2.6.2 性能和应用范围的限制 38
2.6.3 市场接受度和消费者意识 39
2.7 聚乳酸材料的创新和发展 40
2.7.1 生物聚合技术的进步 40
2.7.2 未来的潜在应用 41
2.8 总结与展望 43
参考文献 43
第3章 聚羟基脂肪酸酯（PHA）材料 52
3.1 PHA概述 52
3.1.1 PHA的组成和结构 53
3.1.2 PHA的性质 54
3.1.3 PHA的应用 55
3.2 PHA的生产 58
3.2.1 PHA的生物合成途径 58
3.2.2 PHA的生产工艺 60
3.3 PHA材料的定制化合成 61
3.3.1 基于假单胞菌的中长链/功能化PHA的定制化合成 61
3.3.2 短链PHA的定制化合成 64
3.4 PHA材料的低成本生产 69
3.4.1 传统工业生物技术与下一代工业生物技术 69
3.4.2 基于嗜盐微生物的下一代工业生物技术 70
3.4.3 嗜盐微生物的合成生物学改造以实现多种PHA的高效生产 73
3.5 PHA材料的低成本产业化生产 76
3.6 总结与展望 78
参考文献 79
第4章 重组胶原蛋白材料 87
4.1 胶原蛋白概述 87
4.1.1 胶原蛋白的结构 87
4.1.2 胶原蛋白的类型 89
4.1.3 胶原蛋白的合成与降解 90
4.2 重组胶原蛋白概述 92
4.2.1 重组胶原蛋白的发展 93
4.2.2 重组胶原蛋白的特点 94
4.2.3 重组胶原蛋白的分类 95
4.3 重组胶原蛋白的生物制造 95
4.3.1 重组胶原蛋白表达体系的构建 95
4.3.2 重组胶原蛋白生产菌株的发酵调控 98
4.3.3 重组胶原蛋白的分离纯化 101
4.4 重组胶原蛋白的应用 102
4.4.1 骨修复材料 103
4.4.2 创面修复敷料 103
4.4.3 角膜基质再生材料 104
4.4.3 药物输送 105
4.4.4 蛋白质替代疗法 105
4.4.5 皮肤医学 106
4.5 总结与展望 107
参考文献 108
第5章 丝蛋白材料 113
5.1 丝蛋白概述 113
5.2 蛛丝蛋白分类与结构特性 115
5.3 蛛丝蛋白的异源合成 119
5.3.1 蛛丝蛋白异源合成的技术挑战 119
5.3.2 丝蛋白的结构与性质关系 120
5.3.3 丝蛋白合成的细胞工厂构建 123
5.3.4 重组丝蛋白的性能提升 127
5.4 重组丝蛋白的体外组装形式 131
5.4.1 丝蛋白纤维 131
5.4.2 丝蛋白凝胶 134
5.4.3 丝蛋白3D支架 135
5.4.4 丝蛋白静电纺丝纳米纤维 136
5.4.5 丝蛋白活体材料 137
5.4.6 丝蛋白其他组装形式 138
5.5 丝蛋白潜在应用领域 139
5.5.1 医学领域 139
5.5.2 军事与航空领域 142
5.5.3 纺织领域 143
5.5.4 其他领域 144
5.6 丝蛋白产业发展现状 145
5.7 总结与展望 147
参考文献 147
第6章 抗冻蛋白材料 158
6.1 抗冻蛋白 158
6.1.1 抗冻蛋白的来源 159
6.1.2 抗冻蛋白的功能 160
6.1.3 抗冻蛋白的结构 161
6.2 抗冻机理 167
6.2.1 抗冻蛋白扰动水分子 168
6.2.2 抗冻蛋白与冰晶结合 169
6.3 抗冻蛋白模拟物 172
6.3.1 功能仿抗冻蛋白材料 173
6.3.2 结构仿抗冻蛋白材料 175
6.4 抗冻（糖）蛋白的应用 178
6.4.1 抗冻（糖）蛋白在食品工业中的应用 178
6.4.2 抗冻（糖）蛋白在细胞冷冻保存中的应用 179
6.4.3 抗冻（糖）蛋白在涂层方面的应用 180
6.4.4 抗冻（糖）蛋白在冰纯化方面的应用 181
6.5 总结与展望 182
参考文献 182
第7章 模块化的重组蛋白质材料 191
7.1 蛋白质材料概述 191
7.2 天然蛋白质材料 193
7.2.1 自然界中的蛋白质材料 193
7.2.2 天然蛋白质材料的局限性 195
7.3 蛋白质材料构建基元的设计 196
7.3.1 定向进化策略 196
7.3.2 理性设计 200
7.3.3 模块化设计与重组蛋白技术 205
7.4 蛋白质材料的组装技术 210
7.4.1 蛋白质的分级组装与自组装 211
7.4.2 蛋白质组装中的相互作用 216
7.4.3 人工智能辅助蛋白质材料设计 222
7.5 总结与展望 223
参考文献 224
第8章 蛋白质水凝胶材料 233
8.1 蛋白质水凝胶概述 234
8.1.1 蛋白质水凝胶的种类 234
8.1.2 不同种类蛋白质特性对水凝胶性质的影响 236
8.2 蛋白质水凝胶的交联方法及网络构象 237
8.2.1 化学交联方法 237
8.2.2 物理交联方法 240
8.2.3 交联网络构象变化与环境响应 241
8.3 蛋白质水凝胶的物理力学特性 244
8.3.1 水凝胶的物理特性 244
8.3.2 水凝胶的机械性能 245
8.3.3 影响水凝胶物理力学特性的因素 246
8.4 蛋白质水凝胶在生物医药中的应用 249
8.4.1 药物递送 249
8.4.2 细胞培养 252
8.4.3 组织工程 256
8.4.4 其他应用 260
8.5 总结与展望 264
参考文献 266
第9章 可控分子量透明质酸材料 277
9.1 透明质酸概述 277
9.2 透明质酸的合成 278
9.2.1 透明质酸的合成途径 278
9.2.2 透明质酸合酶与透明质酸糖链聚合 279
9.3 透明质酸的酶法降解 281
9.3.1 透明质酸的降解 281
9.3.2 水蛭透明质酸酶基因的序列鉴定及在毕赤酵母中的重组表达 282
9.4 低分子量透明质酸的酶催化生产 284
9.4.1 低分子量透明质酸的生产方法 284
9.4.2 水蛭透明质酸酶酶解制备低分子量透明质酸与寡聚糖 285
9.5 透明质酸可控分子量生物合成 293
9.5.1 超高分子量透明质酸的生物合成 293
9.5.2 中高分子量透明质酸的发酵生产 298
9.5.3 低分子量透明质酸的一步发酵生产 300
9.6 总结与展望 311
参考文献 312
第10章 细菌纤维素材料 315
10.1 细菌纤维素的来源与合成 315
10.1.1 细菌纤维素的来源 315
10.1.2 细菌纤维素的合成 316
10.2 细菌纤维素的发酵工艺 320
10.2.1 微环境对细菌纤维素合成的影响 320
10.2.2 发酵方式对细菌纤维素合成的影响 322
10.3 细菌纤维素的代谢工程改造 324
10.3.1 细菌纤维素的代谢通路 324
10.3.2 调控细菌纤维素合成的遗传工具 326
10.3.3 定向改造细菌纤维素的合成 328
10.4 细菌纤维素功能复合材料的改性方式 331
10.4.1 非原位改性 332
10.4.2 原位改性 333
10.5 细菌纤维素功能复合材料的应用领域 338
10.5.1 油水分离领域 338
10.5.2 伤口敷料领域 339
10.5.3 生物传感领域 340
10.6 总结与展望 342
参考文献 342
第11章 核酸材料 349
11.1 核酸分子与核酸材料 349
11.1.1 核酸分子结构基础 349
11.1.2 核酸分子生物活性 352
11.1.3 核酸材料的优势 354
11.2 核酸材料构建策略 354
11.2.1 基于DNA单链的模块组装 355
11.2.2 基于DNA纳米结构的模块组装 356
11.2.3 热稳定聚合酶链反应 357
11.2.4 滚环扩增 358
11.2.5 杂交链反应 360
11.2.6 杂化组装 361
11.2.7 DNA折纸技术 362
11.3 核酸材料的种类 362
11.3.1 核酸水凝胶 362
11.3.2 纳米核酸材料 367
11.3.3 杂化纳米核酸材料 369
11.4 核酸材料的应用 371
11.4.1 细胞和外泌体的特异分离 371
11.4.2 生物信号检测 372
11.4.3 细胞调控 374
11.4.4 生物成像 375
11.4.5 疾病治疗 377
11.5 总结与展望 383
参考文献 384
第12章 细菌合成纳米材料及半人工光合作用 387
12.1 细菌合成纳米材料概述 387
12.1.1 细菌合成磁小体 388
12.1.2 细菌合成量子点 393
12.1.3 细菌合成其他无机纳米材料 401
12.1.4 潜在挑战 405
12.2 半人工光合作用 407
12.2.1 半人工光合作用概述 407
12.2.2 半人工