作者：孟凡康
著名的科幻小说《三体》描述的三体世界中，三颗太阳无规则地在三体世界上升下沉，为适应残酷的环境，在乱纪元（日出日落无规律），三体人将自身脱水以抵御酷热或严寒，然后像稻草样堆积在仓库里，而到了恒纪元（日出日落有规律），三体人则从脱水中恢复并正常生活。
《三体》插画
在品味刘慈欣所描绘的残酷的三体世界之时，我们也不禁感叹于三体人的脱水与恢复能力。就如同无数科幻电影情节所描绘的冷冻技术一样，我们在可以长时间或者长期不适宜居住的环境中维持生命本身的存在，而一旦环境适宜生存之时，我们可以从冷冻之中恢复。这样的能力和技术可以使我们在更加恶劣的环境中执行任务，甚至可以用于维持整个文明的存在。
但科幻终究是科幻，现实中我们是否也可以实现实现这样的能力？在2019年12月发表在《自然·生物化学》的这篇文章就为我们展示类似于三体人的技术。来自于MIT的合成生物学研究人员利用3D打印技术和细胞孢子设计了一种新型的生物活性材料（Living Materials）。
这种材料中包含了细菌和水凝胶，由3D打印而成。其可以向三体人一样，在不需要其发挥作用的时候，水凝胶脱水，细菌进行休眠的孢子状态，从而抵抗包括强酸、高温以及γ辐射等外界严酷的环境；而在需要其发挥作用的时候，水凝胶获取水分，细菌就可以恢复成正常的状态从而发挥生物传感器、医用治疗补丁，甚至可以用于建筑物裂缝的修复过程。
利用3D打印将孢子嵌合进生物材料中：脱水，长期储存；复水，细胞恢复功能。
第一部分：生物活性材料的重要价值在哪里？
生物活性材料（Living materials），泛指包含有生物细胞的材料。实际上，这种活性材料广泛存在于自然结构之中，比如树木、骨骼以及皮肤。而这些材料为整个生命系统提供了丰富的功能，比如能量获取、创伤修复、环境感应以及重要的生命功能执行。自然的活性材料性能优越，甚至可以在在各种严酷的环境下存在数年，甚至百万年。
世界上最古老的树木：Methuselah 合成生物学家一直在尝试设计工程化改造的生物活性材料，使其能够将物理材料和工程化改造的细胞结合起来，用于人类的医疗、环境、工程等等领域。
而其中重要的价值点在于，我们可以活性材料中的细胞进行人为设计，使其可以产生多种功能，包括生物感应、生产化学物质、自我清洁、自我交联、自我修复、自我供能等能力。
细菌可以被用来建造水泥和修复裂痕，生产包装材料，通过响应汗水打开通风孔来控制纺织品的透气性。还有就是利用生物和电子的结合，用于检测体内的健康情况，比如去年发表在《科学》的生物电子胶囊，可以用于检测家畜肠道内的健康情况。
合成生物学设计的细菌与电子系统结合：An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health
第二部分：现阶段活性材料的问题在那里？
第一个问题：目前这些人为设计的活性材料，无法在实验室外的严苛环境下发挥作用。在极端、不可预测的条件下，这些材料结构中的细胞无法长久维持正常的状态 。
第二个问题：现阶段，活性材料在一个固定的结构中还无法有效的维持细胞的组织形态。比如我们可以让细胞自己繁殖和生长，在宏观范围内生长自己的框架（例如，树木的生长），但是这些过程很慢，目前很难通过遗传方法进行控制。合成生物学家的主要的编程集中在分子和细胞层面，目前正在有扩展到组织或者简单细胞群体的能力，但是远不及复杂的生命体。
第三部分：如何利用孢子和3D打印来解决现在的问题
1. 解决无法长时间维持活细胞状态的情况：作者采用了“孢子”解决方法。
既然普通的细胞无法在严酷的环境下生存下去，我们的地球的细胞中有类似于三体人的性质吗？答案是肯定的。类似于三体人的脱水状态，这种能够抵御严酷环境的细胞状态叫做“孢子”。
一些细菌会通过形成内生孢子（处于休眠状态且坚韧的小球形结构）而在不利条件下存活。处于孢子状态的细胞膜结构会处于一种特殊的状态，包括几乎不可渗透的内膜，生殖细胞膜，厚肽聚糖皮质，外膜，基底层，内涂层，外涂层和外壳。其中遗传物质DNA通过特殊蛋白质紧密堆积而受到保护。
处于严密保护状态的细菌孢子形态 孢子能够在极端环境中生存，包括高温，冷冻，氧化剂，酸和碱溶液，遗传毒性剂，溶剂，高压，X射线，γ射线和紫外线。它们还可以通过用二吡啶甲酸代替水并采用起皱的形式来承受渗透压，从而在干燥中幸存下来。孢子可以无限期地休眠，据称可以持续数百万年。
2. 使用3D打印在宏观长度范围内以亚毫米级的分辨率组织材料中的细胞结构。
3D打印彻底改变了从建筑到航空航天的诸多行业。现在可以打印的材料范围已扩大到包括陶瓷，金属，尼龙，丝绸，纤维素和木材聚合物复合材料，其所创建对象的大小范围从纳米到房屋均是存在的。
3D打印建筑
利用3D打印打印活体组织
利用3D打印打印活体组织我们完全可以是用3D打印为活性材料打印出宏观结构。在这个结构中，细胞可以存在其中发挥我们预期的作用。这样细菌便无需自己生长或者人为的引入到结构中，其可以跟随3D打印的过程而直接形成最终的结构。
第四部分：利用3D打印以及孢子设计新型的活性材料
1. 选用琼脂糖作为结构材料
琼脂糖是一种源自海藻的水凝胶，由交替的D-半乳糖和3,6-脱水-L-半乳糖吡喃糖亚基的线性聚合物组成。之所以研究人员选择琼脂糖，是因为它具有剪切稀化、透明、水含量高，打印后强度高以及可迅速固化的优点，同时其可以支持在材料内部嵌入细胞。
3D打印的各种琼脂糖材料结构
2. 重新设计3D打印机使其符合最终的要求
研究人员重新设计了3D打印机的喷嘴，使其打印前将两种液流混合：一种是保持在高温下的琼脂糖聚合物，另一种是细胞和培养基的低温混合物。
具有两个喷嘴的3D打印机器
3. 什么的孢子才能符合3D打印的要求？
由于修改后的3D打印机的温度要求（75℃），研究人员需要找到可以在高温液流中存活的细菌。研究人员测试了代表不同种系的嗜温菌和嗜热菌，最终发现枯草芽孢杆菌PY79可以在高温环境中保持很高的存活率，同时细胞可以热休克中快速恢复。此外，当研究人员将孢子暴露在较高温度（> 75℃且最高100℃）下持续20 min，发现孢子仍然可以在100°C下存活。
在确定好琼脂糖、细菌种类以及3D打印的条件之后，作者打印了一个简单的条形图，该条形图由七层（2 mm×3 mm×25mm）组成。为了帮助成像，研究人员将具有绿色荧光蛋白（GFP）组成型表达的基因线路引入枯草芽孢杆菌基因组中。当孢子被印刷时，它们均匀地分布在整个结构中（相反，非孢子细胞的分布缺失不均匀，会被高温杀死或者生长不均匀）。
当孢子被印刷时，它们均匀地分布在整个结构中 4. 3D打印功能性活性材料的性能如何？
这种活性材料可以通过干燥除去水份用于长时间存储。复水后，材料可以恢复原始的印刷形状。
这种活性材料可以通过干燥除去水份用于长时间存储。复水后，材料可以恢复原始的印刷形状。 打印表达绿色荧光蛋白的枯草芽孢杆菌的孢子时，它们干燥储存1个月（测试的最大值），并在复水后细菌恢复发光。然后更长的储存时间并不会导致发芽和生长后GFP表达的损失，所以鉴于孢子的已知寿命，在无限期储存后它们将能够重新恢复正常生长。
干燥储存1个月（测试的最大值），复水后细菌恢复发光 经过测试，此种活性材料可以多种极端环境压力下维持正常状态。100%乙醇溶液浸泡、高渗透压、强酸、紫外线、X射线、γ辐射和高温等等条件下，活性材料内部的细菌仍然可以在复水后恢复正常生长，产生荧光。
第五部分：作者利用超强的活性材料做了什么有趣的事情？
1. 生物传感器
这种活性材料可以充当生物传感器。我们可以在细胞内导入感应元件，使其可以在自然环境中感应多种信号。研究人员在细胞中设计了多种的小分子感应器，比如木糖或者香草酸传感器，其效果表现都十分优异。进一步，我们还可以设计细和材料结果，使其可以在自然环境中检测重金属污染，在人体缓释药物分子等等。
生物传感器的响应效果
2. 治疗伤口的3D打印补丁
人体表面受到严重的创伤时极容易产生感染，其中金黄色葡萄球菌就是常见的的感染源之一，而活性材料可以用于解决这一难题。
我们可以扫描了伤口，计算了填补空隙所需的形状，通过3D打印创建适合人体伤口形状的医疗补丁，代替包装诸如纱布的材料。同时我们可以在医疗补丁内部嵌入人工设计的细胞，其可以分泌抗生素来特异性的杀死感染细胞。研究人员通过在枯草芽孢杆菌中导入了一套分泌特异性杀死金黄色葡萄球菌的抗生素产生通路，并将其嵌入到3D打印的材料之中，结果表明这种设计可以有效的杀灭金黄色葡萄球菌，促进伤口的痊愈。
治疗伤口的3D打印补丁
总结
在这项研究中，研究人员自用3D打印技术将细菌孢子嵌入了凝胶材料之中，设计了一种可以在严酷环境下长期维持生存的生物活性材料。其可以用于设计用于实验室外环境的生物传感装置或者医疗用伤口补丁。
合成生物学的许多设计想要真正走向应用，工程细胞必须能够在不断变化的压力环境中生存并发挥其功能。孢子具有在没有水和营养的情况下以及在恶劣条件下生存的能力，而3D打印可以进一步提高生物材料的结构复杂度。两者的结合迈出了生物活性材料走向实际应用的关键一步。
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