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合成生物學應用遺傳工具來工程化活細胞和生物，類似于機器的編程。在材料合成生物學中，綜合了合成生物學和材料科學的工程原理，將生命系統重新設計為具有新興功能和可編程功能的動態響應材料。?

2020年12月23日，上海科技大學/中國科學院深圳先進技術研究院鐘超及麻省理工學院Timothy K. Lu共同通訊在Nature Reviews Materials?（IF=71）在線發表題為”Materials design by synthetic biology“的綜述，該研究討論了合成生物學工具，包括遺傳回路，模型生物和設計參數，這些工具可用于構建智能生活材料。?

該綜述也談到研究無生命和有生命的自組織多功能材料，例如細胞內結構和工程化的生物膜，并研究混合生物材料的設計和應用，包括生物傳感器，理療和電子產品以及能量轉換材料和生物建筑材料。最后，該綜述考慮可編程生活材料的前景和挑戰，并確定未來的潛在應用。

受生物啟發的工程學（也稱為仿生學）從自然界中豐富的形式和功能的多樣性中汲取線索，并在各個規模和學科中得到應用。例如，可以使用人造積木，通過概括源自珍珠層，蜘蛛絲或壁虎腳趾的設計原理來創建功能材料。仿生方法在優化特定材料功能方面具有無限的潛力，因為合成建筑元件在機械性能方面可以勝過其天然類似物，并且易于大規模生產。

但是，模仿生物系統的響應能力和適應性仍然面臨挑戰，因為它通常需要復雜的，自上而下的制造工具，這些工具需要與單獨的傳感和驅動模塊配合使用。活的生物利用進化的力量，基于通用構件，包括核酸，蛋白質和多糖，優化了多個子系統。因此，深入了解細胞，組織和有機體的細致結構和功能可以為生物學（或模仿生物學）指導的工程解決方案提供參考。

合成生物學旨在對生物系統進行編程以執行用戶定義的功能。代替計算機代碼，而是使用核酸或蛋白質序列作為腳本來指導生物系統從亞細胞到生物體的行為。工程原理，例如模塊化設計，零件標準化和計算仿真，推動了合成生物學的快速發展。生物系統可以采用工程原理，將細胞轉化為設計的生物機器。經過二十多年的密集工具開發，現在可以建立大規模遺傳回路，執行涉及多個輸入和輸出的復雜決策過程。

用模型電路創建的復雜生物功能可以進一步通過人工功能進行修改。生物信息學的進步以及DNA測序和合成成本的下降，已經產生了從頭開始的生物系統，該系統集成了傳感，計算和記錄功能以執行特定的任務。這些技術的應用范圍從生物醫學到農業。

合成生物學也將其影響擴展到材料科學和工程學。工程生物材料在許多領域都具有巨大潛力，包括醫學，土木與環境工程，建筑和產品設計。活生物體通過其產生的生物材料不斷與其周圍環境相互作用。天然生物材料的特性與其生物學功能有關。例如，隨著活生物體的生長和移動，它們會生成細胞外基質，細胞壁和其他生物聚合物，以適應特定的生理功能。在這些動態過程中，生物材料生產所需的時空信息被編碼在基因組中。

因此，可以通過設計遺傳環路來調節基因表達和具有良好時空控制的生物分子相互作用來指導生物材料的合成和性能。的確，合成生物學可用于產生幾何圖案并將新的功能引入模型生物材料系統，例如大腸桿菌生物膜。對更復雜生物中基因調控機制的見解進一步允許使用合成細胞間信號傳遞設計自組織多細胞結構，例如，用于哺乳動物細胞的不對稱分化。

傳統上，基因工程已被用于創建修飾或融合蛋白，這些蛋白可以被純化并加工成基于蛋白質的材料。同樣，新陳代謝工程技術允許合成可用作單體下游生產聚合材料的化學物質。然而，盡管這些材料是在細胞中工程化的，但它們并未充分利用活生物系統的特征。

在材料合成生物學中，設計器細胞和遺傳環路用于設計功能材料。使用智能的可編程生物分子或細胞設備不僅可以提高復制和利用天然材料特性的能力，而且可以通過結合生物學衍生或啟發性功能來改善人造材料。因此，合成生物學在材料設計上具有廣闊的前景。但是，由于歷史上合成生物學一直專注于生物醫學，因此該領域仍未得到充分開發。此外，遺傳環路的概念直到最近才在材料科學中引入，迄今為止，它主要應用于基因工程。

在這篇綜述中，討論了合成生物學和材料科學工具的集成，以開發自組織功能材料和混合生物材料。該綜述重點介紹了它們的特定優勢和挑戰，并研究了材料合成生物學如何利用非模型生物系統來設計新材料和應用。該綜述還將討論活性生物分子或活細胞成分如何改善人造材料的性能，以及如何將它們用于構建具有可編程功能的活雜化復合材料。最后，該綜述研究了材料合成生物學的優勢和局限性，這些優勢和局限性需要朝著實際應用的方向發展。

參考消息：

https://www.nature.com/articles/s41578-020-00265-w

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Nature拳头综述（IF=71）| 上海科技大学钟超等人系统介绍合成生物学及未来潜在应用...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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