摘要：在传统光学器件的制造过程中，高温、高压及复杂的化学工艺往往是必不可少的，这不仅带来高昂的成本，也对环境造成不小的负担。随着合成生物学与材料科学的深度融合，一种全新的制造方式正在悄然兴起——利用生命体自组装光学材料，从而摆脱传统工艺的限制。

在传统光学器件的制造过程中，高温、高压及复杂的化学工艺往往是必不可少的，这不仅带来高昂的成本，也对环境造成不小的负担。随着合成生物学与材料科学的深度融合，一种全新的制造方式正在悄然兴起——利用生命体自组装光学材料，从而摆脱传统工艺的限制。

日前，来自罗彻斯特大学、科罗拉多大学等高校的科研团队在 PNAS 上发表了一项突破性研究“Engineered bacteria that self-assemble bioglass polysilicate coatings display enhanced light focusing”，他们成功地通过基因工程改造大肠杆菌，使其能够在自身表面生长一层透明的“生物玻璃”外壳，从而形成一种能够聚焦光线的“活体微透镜”。

实验表明，这些细菌透镜能够产生比传统材料亮度高出近 10 倍的光子纳米射流，并且在标准环境下可稳定存活长达 4 个月。这一发现不仅展示了生物系统在光学材料领域的巨大潜力，也为未来绿色制造和智能光学器件的开发提供了全新的思路。

这一研究灵感来源于自然界中的“玻璃大师”——海洋海绵。这些海绵（如 Tethya aurantia 和 Suberites domuncula）能够利用自身分泌的一种特殊酶——硅酸酶（silicatein），在常温海水中催化硅酸盐单体聚合，从而形成机械强度高且光学透明的二氧化硅骨针。这些骨针不仅为海绵提供支撑，还能起到光导作用，帮助海绵在深海环境中感知外界刺激。研究人员正是受这一机制的启发，设想是否可以通过基因工程手段，将硅酸酶的合成途径引入大肠杆菌，使其在细胞表面自组装形成类似海绵骨针的生物玻璃，并赋予这些细菌聚焦光线的能力。大肠杆菌凭借其快速繁殖能力（倍增时间仅约 20 分钟）和成熟的基因操作体系，成为了理想的研究载体。

为了实现这一目标，研究团队利用基因工程技术，使大肠杆菌能够在细胞表面精准表达硅酸酶。研究人员从两种海绵中克隆了硅酸酶基因（T. aurantia GenBank: AF032117.1；S. domuncula GenBank: AJ272013.1），并对其进行了大肠杆菌密码子的优化，以确保酶能够在宿主细胞中高效表达。随后，他们分别构建了两种基因工程菌株，其中 TaSil菌株通过乳糖诱导型启动子（Lac promoter）控制硅酸酶的表达，而SdSil 菌株则采用鼠李糖诱导型启动子（Rha promoter）。为了确保硅酸酶能够精准定位至细胞表面，并在适当条件下发挥催化作用，研究人员将其与细菌的外膜蛋白 OmpA 融合（OmpA 46-159 氨基酸段），从而将硅酸酶锚定在菌体外膜上，避免其在细胞内产生毒性。

实验结果表明，这一策略成功实现了硅酸酶在细菌表面的高效表达。通过免疫荧光检测，研究人员观察到，经过诱导表达后，硅酸酶在菌体表面形成了明显的分布模式，其中 TaSil 菌株呈现点状分布，而 SdSil 菌株则表现为更均匀的片状分布。荧光强度测定显示，相较于未改造的野生型菌株，改造菌的荧光信号提升了 8.3 倍。进一步的透射电镜（TEM）分析揭示了改造菌表面结构的变化，其表面粗糙度（Ra）由野生型的 12.3±1.5 nm 降低至 4.7±0.8 nm，这表明细菌成功包裹了一层均匀的生物玻璃壳。

图 | 表达硅酸盐素的细胞呈现光滑的聚硅酸盐边界（来源：上述论文）

为了验证这些生物玻璃能否通过自组装过程形成稳定的光学结构，研究人员将诱导表达硅酸酶的细菌悬浮于硅酸盐溶液中，并在 37°C、pH 7.5 的条件下孵育 3 小时。随后，他们利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析了菌体表面的矿化情况。实验结果显示，这些经过生物矿化的菌株表面形成了一层 30±5 nm 厚的多硅酸盐玻璃层，而野生型细菌表面几乎未检测到明显的硅沉积。SEM-EDS 数据进一步证实，改造菌表面的硅原子占比达到 12.5%，相比之下，野生菌的硅原子含量仅为 0.8%。

研究团队还利用X射线衍射（XRD）技术对玻璃层的结构进行了表征，结果显示，这些生物玻璃的衍射峰位于 22° 2θ，表明其为非晶态二氧化硅，与海绵骨针的结构特征一致。此外，研究人员观察到，经过矿化的细菌能够形成微米级的聚集体，这种聚集效应可能进一步增强了光学性能。

图|研究人员设计并制造了一种多角度照明显微成像系统（来源：由罗切斯特大学）

在光学性能的测试方面，研究人员首先利用时域有限差分法（FDTD）建立了计算模型，以模拟不同菌体结构对光线散射的影响。模拟结果显示，相较于未改造的野生菌，这些生物玻璃包覆菌在 488 nm 光照下能够产生更强的光子纳米射流，其峰值光强提升到野生菌的 9.2 倍。此外，这些光子射流的焦点位置也发生了显著变化，由野生菌的 1.2 μm 延长至 2.8 μm，并向外移动了 0.28–0.49 μm，使其更适用于光学器件的设计。

为了验证这些理论预测，研究团队开发了一套多角度照明显微成像系统（MAIM），并通过荧光成像技术测定了菌体在不同入射角下的光学表现。实验结果表明，改造菌在水平入射光（0°）条件下能够形成清晰的光子纳米射流，其峰值光强达到野生菌的 10.1±1.3 倍。此外，这些纳米射流的半高宽（FWHM）仅为 0.38±0.05 μm，接近衍射极限（0.44λ，λ=488 nm），进一步证明了其优异的光学聚焦能力。

图 | 生物玻璃包覆的细菌细胞能够将光聚焦成高强度光束，为先进成像技术的开发奠定了基础（来源：由罗切斯特大学）

更令人惊讶的是，这些生物玻璃包覆菌在 4°C 环境中储存 4 个月后，其光学性能仍然保持稳定，光子纳米射流的强度仅衰减 7.2%，同时细菌的代谢活性仍维持在初始值的 85% 以上。这表明，这些细菌透镜不仅能够长期保持其光学性能，还可能在未来用于动态环境中的智能光学应用。

这项研究展示了一种前所未有的光学制造方法，证明了生物系统能够自组装高性能光学材料。相比传统光学器件制造过程，这一方法不需要高温、高压或有毒化学试剂，而是完全依靠基因工程调控细菌行为，使其自主构建具有光学功能的纳米结构。其成果不仅为微光学领域提供了新的材料来源，也为合成生物学与纳米技术的结合开辟了新的方向。

正如研究团队所言，这一发现不仅是“制造材料”，更像是“培育材料”——通过合理设计生物系统，使其按照预定规则自行生长并形成光学结构。未来，随着合成生物学、材料科学和光学工程的进一步交叉，或许能够看到更多“活体器件”，如自适应透镜、生物光子芯片，甚至能感知并响应环境变化的智能光学系统。

参考链接：

1.Sidor LM, Beaulieu MM, Rasskazov I, et al. Engineered bacteria that self-assemble bioglass polysilicate coatings display enhanced light focusing. Proc Natl Acad Sci USA. 2024;121(51):e2409335121. doi:10.1073/pnas.2409335121

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来源：生辉SciPhi