基本信息
- 项目名称：
- 仿生趋磁微生物的研制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品创新性的采用仿生矿化法在微生物细胞表面人工构建磷酸钙的矿化沉积层，并以此为“支架”，在矿化层中掺入四氧化三铁磁小体，从而将磁小体牢固附着于细胞表面制得有磁响应的微生物细胞，具有普适性。其意义在于这样就把不同菌种本身的生物学功能与在磁场中运动的可调控性结合起来，从而进一步有望建立一种用磁场来控制微生物运动的新方法，用于生物制造的过程控制以组装微纳米新材料和新器件，这在生物制造领域尚属空白。 该方法制备的趋磁微生物将在生物、化学、高分子、物理、材料、生物工程、微生物冶金、国防、信息等科研、工业的重要领域都有广阔的应用前景。而且这种基于微生物的生物制造大幅扩展生物质原料的产品类型及应用范围，将在推动新型生物型经济的发展过程中产生深远影响。另外，利用微生物进行材料加工是低能耗、节约土地及自然资源、保护环境的绿色工艺过程，还可定向培育新品种、新物种，因此在促进科技进步和建设和谐社会方面具有积极推动作用，具有极高的社会效益。
- 详细介绍：
- 在过去的几十年里，随着集成电路的发明与硅制造技术的不断突破，“硅时代”以及“信息时代”相继到来。而如今，微纳米技术在总体上对社会的冲击将远比硅集成电路大得多，它将成为新的国民经济增长点，也将是未来国际经济和军事竞争的焦点。 作为先进制造技术的一个分支，生物制造是微纳米制造技术与生命科学、信息科学、材料科学等领域的结合并且将成为21世纪制造科学即将开始的一场革命。它摆脱了以往“无生命”的物理、化学制造模式，被赋予了生命，即是以生物作为完成微纳米制造过程的主体，是通过生物的自组装自装配构成各种微结构的新技术。 而微生物作为地球上最古老的生命体，种类繁多，形态与生物学功能各异，其个体大小从几十纳米到微米级，具有极强的生命力和适应性，能够以较低成本进行大批量培养，是天然的可用于纳米、微米及多层次跨尺度加工的“基本单元”。以微生物为分子组装的机器，以微纳米尺度的过程控制方法对其进行二维数字定位以及图案化排列或者三维微操纵，由此可设计创制出具有特定功能的新材料。其关键是以合适的方法控制微生物群体的定向运动与有序排列，进而才能够利用其天然生物学功能完成自装配、有序组装等过程。 本作品试图建立一种用磁场来控制活体微生物运动的方法，这在生物制造领域尚属空白。磁控方法相较于其他过程控制方法具有条件温和、可操作性强、精细程度高、能进行定向或定域控制、可以进行动态控制以及容易与其它过程控制方法结合使用等优点。其关键技术是采用仿生矿化法在微生物细胞表面人工构建磷酸钙的矿化沉积层，并以此为“支架”，在矿化层中掺入四氧化三铁磁小体，从而将磁小体牢固附着于细胞表面制得有磁响应的微生物细胞，具有普适性。其意义在于这样就把不同菌种本身的生物学功能与在磁场中运动的可调控性结合起来，从而进一步有望建立一种用磁场来控制微生物运动的新方法，用于生物制造的过程控制以组装微纳米新材料和新器件，这在生物制造领域尚属空白。 在基于微生物的生物制造领域，利用该方法批量生产磁响应性微生物菌体，并通过数控电磁场来对菌体进行定向控制或有序排列，生产各种新型功能材料、器件，将具有广阔的应用前景。例如，通过对菌体的各种图案化排列，结合生物制造中去除成型或者生长成型的加工原理，可望获得具有精细复杂结构的功能材料，如微型电路板、高规则排列多孔材料、光学衍射孔、微型反应器等。此外，当菌体沿某特定途径运动，其胞外产物将可固定于运动轨迹上，由此可获得有序排列的产物。例如细菌纤维素是木醋杆菌所产的一种胞外产物，已有报道证明在分子模板上可成功控制木醋杆菌的运动，经调控所分泌微纤维的排列模式，“自下而上”自动构筑由纤维素纳米纤维编织的具有特定规则图案的三维功能材料。如果我们制备出具有磁响应性的木醋杆菌，在层层组装过程中可调控每一层的排列方式，拓展了调控过程中的在三维空间的复杂精密与动态可操作性，由此可制备出图案化的分子模板：如调控纳米纤维取向方向层层周期变化，还可获得具有特殊光学特性的功能材料。另外，由磁控微生物排列组装成动态可变的各种图案， 将有潜力开发生物式微纳米记录系统以及生物式图像处理的器件等，有望在军事情报加密等方面取得应用，为我国国防事业作出贡献。最后，在酶工程中磁响应微生物可以用来做固定化细胞；结合微生物冶金的原理，该方法还可以用来做金属离子或金属的微纳米图案化定位。 总之，该方法制备的趋磁微生物将在生物、化学、高分子、物理、材料、生物工程、微生物冶金、国防、信息等科研、工业的重要领域都有广阔应用前景。而且这种基于微生物的生物制造大幅扩展生物质原料产品类型及应用范围，将在推动新型生物型经济的发展过程中产生深远影响。另外，利用微生物进行材料加工是低能耗、节约土地及自然资源、保护环境的绿色工艺过程，还可定向培育新品种、新物种，因此在促进科技进步和建设和谐社会方面具有积极推动作用，具有极高社会效益。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 微生物种类繁多，形态与生物学功能各异，能够以较低成本进行大批量培养，是天然可用于纳米、微米及多层次跨尺度加工的“基本单元”。本作品设计目的在于发明一种活体磁控微生物制备方法，通过以微生物为微纳米机器人，以磁场为微纳米尺度的过程控制方法对其进行二维数字定位以及图案化排列或者三维微操纵，由此可望创制出一系列具有特定功能新材料。 本作品主要创新点： a)利用磁控作为生物加工手段。 磁控方法相较于其他过程控制方法具有条件温和、可操作性强、能够达到微米极精细程度、能进行定向或定域控制、可以进行动态控制以及容易与其它过程控制方法结合使用等优点。 b)制备方法具有普适性。 本作品对趋磁细菌进行仿生研究，建立一种具有普适性的新方法。其意义在于这就把不同菌种本身生物学功能与在磁场中运动的可调控性结合起来，从而进一步有望建立一种用磁场来控制微生物运动的新方法，用于生物制造过程控制以组装微纳米新材料和新器件。 c)采用仿生矿化法制备活性趋磁微生物。（技术关键） 制备方法本身具有工艺过程操作简单，所需设备廉价等优点。最重要是制备所需时间短，大约半天便能获得趋磁微生物。 d)突破目前生物制造中大多只应用到微生物“结构单元”的局限。 目前大多数微纳米制造方法只将微生物作为“结构单元”使用，并没有真正发挥微生物的生物学功能优势，而本作品提供的制备方法以及控制手段使得微生物在生物制造过程中保持存活，从而能充分地将微生物作为“功能单元”使用，大大扩展了利用微生物进行微纳米制造的应用领域。
科学性、先进性
- 目前能够用于生物制造过程控制的微纳米制造方法主要有喷射技术、直写技术、电纺丝技术、化学方法表面镀镍等。而这其中大多数方法不能应用于对微生物活细胞的控制，主要是因为其控制条件不够温和，不能保证在整个控制过程中微生物个体的存活，即无法充分发挥微生物自身的生物学功能及优势，极大限制了其应用领域。因此建立适合于活体微生物的原创性微纳米制造方法将具有重要学术价值与应用前景。 本作品试图建立一种用磁场来控制活体微生物运动的方法，这在生物制造领域尚属空白。磁控方法相较于其他过程控制方法具有条件温和、可操作性强、精细程度高、能进行定向或定域控制、可以进行动态控制以及容易与其它过程控制方法结合使用等优点。 本作品创新性地采用了仿生矿化法制备趋磁微生物，具有一定的普适性。另外，整个制备工艺过程相对操作简单，制备所需时间短（大约半天），也不涉及价格昂贵的设备，因此适用于即制即用的生物制造生产过程。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年6月6日于本省第七届"挑战杯•青春在WO"大学生课外学术科技作品竞赛中获得一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段，尝试初步的应用。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用仿生矿化法制备趋磁微生物将微生物技术，无机化学及有机高分子化学知识进行交叉融合，并在此基础上进行创新运用，其制备方法本身具有工艺过程操作简单，所需设备廉价等优点。将磁响应性微生物用于建立生物制造磁控过程方法，有条件温和、可操作性强、能够达到微纳米级精细程度、能进行定向或定域控制、可以进行动态控制以及容易与其它过程控制方法结合使用等优点。 该方法有望从模式菌种推广到功能菌种，从而建立成为制备趋磁微生物的具有普适性的方法，并用于基于微生物可控生物制造过程。这种仿生趋磁微生物将在生物、化学、高分子、物理、材料、生物工程、微生物冶金、国防、信息等科研、工业的重要领域都有广阔应用前景。而且这种基于微生物的生物制造大幅扩展生物质原料产品类型及应用范围，将在推动新型生物型经济的发展过程中产生深远影响。另外，利用微生物进行材料加工是低能耗、节约土地及自然资源、保护环境的绿色工艺过程，还可定向培育新品种、新物种，因此在促进科技进步和建设和谐社会方面具有积极推动作用，具有极高社会效益。
同类课题研究水平概述
- 基于离散-堆积原理的细胞-基质材料的三维受控组装技术，其核心即是一种受控组装的概念，它贯穿了从宏观单元、介观单元到微观单元的不同层次的受控组装。宏观尺度上即为生物材料微滴的组装，这是当前生物制造的主要领域；介观尺度上的体现为细胞组装，这是生物制造当今的研究热点；微观尺度即为分子组装。功能性内脏组织器官的制造与骨骼、皮肤等结构性组织相比，涉及到更深层次的生命科学与制造科学问题，与制造科学在分子与细胞层次的操控和组装具有紧密关系。 生物制造主要包括对DNA、蛋白质、多糖等生物大分子进行有序操纵；对微生物定向诱导或有序排列，利用其天然结构及功能开发新型功能材料；以及通过细胞受控组装，完成具有新陈代谢特征的生命体成型和制造。比如通过人工诱导DNA自组装形成各种立体结构，对DNA正四面体进行的化学修饰，有望应用于制备新型化学反应模板。另外，自组装多肽纳米纤维，可作为组织工程或者生物矿化支架。使用基因改造过的病毒作为模板合成Au、Co3O4纳米线，具有作为锂离子电池电极材料的应用潜力。Yan等报道了以高精度三维微定位系统对细胞及生物材料进行加工组装，该方法有望用于加工人工组织器官。细菌纤维素是自然界中唯一的天然纳米纤维，在伤口愈合材料、人造血管以及化妆品成分、食品添加剂等方面有广泛应用。近藤首次报道了用有序高分子模板在室温下诱导木醋杆菌的生物合成过程，可在纳米尺度上控制细菌纤维素纤维的排列，并堆积成有序的三维结构材料。 目前能够用于生物制造过程控制的微纳米制造方法主要有机械作用喷射技术，直写技术、电纺丝技术、分子模板诱导合成、化学方法表面镀镍、计算机辅助仿生建模与快速成型技术等。而这其中大多数方法不能应用于对微生物活细胞的控制，主要是因为其控制条件不够温和，不能保证在整个控制过程中微生物个体存活以及生物学功能的完整，这就限制了其应用领域。本作品探索并建立了磁控的可用于微生物活体定位操纵和有序排列的微纳米生物制造新方法，这在生物制造领域尚属空白。 在磁性纳米颗粒的研究方面，主要集中于利用其辅助进行靶向给药以及制造生物传感器等，将其用于微生物并开发仿生趋磁微生物用于制造生物材料及生物器件，文献中还未见类似的有关报道。因此将本方法所制得的仿生趋磁性微生物用于生物制造的过程控制中将有望开辟崭新的研究领域，以新方法生产出各种各样的功能材料、器件。
