1月19日，美国工程生物学研究联盟（EBRC）发布了《工程生物学与材料科学：跨学科创新研究路线图》^[1]，评估了工程生物学和材料科学交叉领域的挑战和创新潜力。该路线图梳理了这两个领域的研究基础和技术进步，通过预测未来20年的技术突破能力和重大研究进展，明确了创造新的科学和工程的可能性。此外，该路线图还设想了创造性和雄心勃勃的材料解决方案，通过利用和整合工程生物学的机遇和优势，解决长期存在的社会挑战。路线图由合成、组成与结构、加工过程、性质与性能4个技术主题组成，并包含了实现未来工程生物学材料所需的工具和技术。

一、合成

该主题聚焦通过工程生物学合成材料成分，包括利用工程生物学来生产单体、聚合物、生物分子和大分子。合成主题面临的主要挑战包括：通过工程生物学高效生产基于蛋白质的天然材料，例如蜘蛛丝和弹性蛋白；替代性生物生产系统以及对天然和非天然核酸及氨基酸的利用；实现材料的重新合成或回收，以实现更大的可持续性。预期该主题的重点突破的技术能力及重大研究进展如下：

1、非天然或非生物化学单体（氨基酸除外）的生物合成和聚合。2022年，发现和设计酶以识别和聚合常规化学单体，如丙烯酰胺等；开发代谢途径以产生适合于开环聚合的手性环状单体；通过活细胞催化的生物反应来示范聚合物支架的侧链修饰。2025年，通过设计用于原位聚合反应的代谢途径，实现乙烯基单体的生产；扩展可通过进化酶聚合的化学单体库；设计复杂的正交翻译系统，包括工程化的正交核糖体，用于将新的（非氨基酸）化学物质定向结合到聚合物中。2030年，利用酶系统实现复杂聚合物生产，如共聚合物、序列可控聚合物、拉丝聚合物等。

2、化学和生物混合合成方法。2025年，表征和改进正交翻译系统的酶学，以将新化学物质定向结合到聚合物中。2030年，实现混合流化学-生物催化合成系统；非均相催化和生物催化完全集成到模块化平台中，长期储存后稳定，便于产品转换。2040年，实现具有所需特性（例如导热性或弹性）的材料的逆向生物合成。

二、组成与结构

该主题旨在通过工程来设计或控制材料成分及其占据的二维和三维空间，包括材料内部相互作用的工程设计，例如生物-非生物界面以及生物分子、酶和细胞的嵌入等；还包括材料的物理和体积特性的工程设计，如蛋白质等生物分子的结构和材料的三维结构。预期该主题的重点突破的技术能力及重大研究进展如下：

1、使生物材料可控。2022年，聚合物支架的工程库，将活细胞或无细胞系统限制在材料中。2025年，细胞材料内的定向分隔。2030年，能模拟自然系统中自我控制的工程细胞感应能力，如边缘检测。2040年，能生长或打印具有特定亚结构和功能的多功能、多组分生物材料。

2、在多细胞（混合、复合或活体）材料中实现所需的细胞外基质（ECM）。2022年，在细胞-ECM界面上识别适合于工程的生物受体、传感器和执行器。2025年，再利用动态细胞骨架网络和非原生类似物作为具有动态组装/拆卸行为的ECM材料来编程细胞表型；获得对活细胞与非生物材料相互作用的分子理解；开发高灵敏度的方法来原位表征和定量分析ECM化学和结构，以确认所需ECM的实现。2030年，将ECM和细胞以空间组织的方式整合到组织样构建物中。2040年，按需生产功能性的活体材料、混合材料和复合材料。

3、膜动力学的从头设计或预测。2022年，开发计算方法，准确预测生物膜的物理特性以及整合跨膜蛋白作为膜组成功能的位置。2025年，设计天然和非天然膜蛋白，将其分类和定位到细胞膜和合成膜的区域。2030年，控制无细胞系统在人工膜内的位置和反应性，控制活细胞中正交DNA/RNA/蛋白质合成机械的位置。2040年，设计无细胞合成蛋白在合成膜中的运输。

4、生物/非生物界面工程。2022年，设计细胞表面生物分子相互作用支架，以促进与非生物材料的联合，如粘附、结合等；开发具有可控拓扑、机械和功能特性的纳米结构和介观结构（生物）模板，如DNA、病毒衣壳、蛋白质，以指导纳米材料的合成，并操纵与邻近生物系统（即细胞或组织）的界面相互作用。2025年，实现生物结合方法，能把生物和非生物材料结合起来。2030年，实现材料与活细胞之间分子界面的完整表征。

三、加工过程

该主题包含进行“单元操作”的生物工程进展，通过聚合和降解、模板化、图样化和打印来构建或破坏材料。这包括材料的生物挤出或分泌、材料沉积、自组装和拆卸。加工过程还包括基于生物学的工程技术、工具和系统（如无细胞系统），以制造、回收和纯化材料。预期该主题重点突破的技术能力及重大研究进展如下：

1、在不破坏细胞的情况下，实现单体或聚合物的分泌。2022年，实现高效的蛋白质/多肽分泌，包括含有非标准氨基酸的蛋白质；推进发酵中使用的生物工艺技术，以分离分泌的疏水性物质。2025年，一锅法（one-pot）发酵和共轭或大分子组装的流线型分离。2030年，从发育生物学中获得灵感，设计和工程化真核生物底盘和分泌系统，以实现合成途径的分室和定时。2040年，纳入协调的生产底盘联合体，可以从不同的单元级材料中构建复杂的模式化材料，即硅藻沉积的二氧化硅与细菌蛋白功能化相结合。

2、能控制基于生物分子或嵌入材料的自组装和拆解。2022年，开发材料设计方法，允许程序化控制自组装和拆卸。2025年，了解细胞外基质的细胞重塑机制，以及细胞与模板材料之间的动态相互作用。2040年，能控制和指导分层自组装，实现所需的材料结构、性能或功能。

3、能控制分子和大分子在生物和非生物表面的沉积、图形化和重塑。2022年，提高在各种基质上沉积或塑造生物分子的能力；控制生物体外部的蛋白质与材料前体发生选择性反应，以产生尺寸和形状可控的材料。2025年，能在生物系统和半导体/电子表面之间建立强大的接口，以感知和操纵生物过程；生产非典型生物形状或尺寸尺度的模板材料。2030年，改造生物体，使其在对外部刺激的反应下改变其表面特性，以按需模板化所需材料。2040年，可控地在生物体上按需形成具有所需特性的模板化宏观材料。

4、在不同的条件下实现生物分子和细胞的图形化和打印。2022年，开发将单细胞以二维空间高分辨率放置在确定位置的技术，作为材料的生物模式；建立能生产生物（活体）复合材料的三维打印方法。2025年，能在各种环境条件下，从二维图案中打印出微生物或生长出所需的三维群落。2030年，能长期保持所需的微生物群落结构组织。2040年，能在任何表面按需打印细胞结构。

5、改造细胞以在适合离体材料的最佳环境中生产材料。2022年，为可在水环境或发酵环境中发生的非生物和非天然单体开发其他聚合策略，如过氧化物酶催化的、可逆或不可逆的共价偶联；设计用于生产和加工生物材料的最小细胞，如无染色体细菌细胞。2025年，改造嗜热微生物，以生产生物质或生物分子，以在较高温度下生产材料。2030年，管理实验模型系统中的生物复杂性和相互作用，以确定产品的理想宿主物种；在无水的情况下生产和加工生物材料。

6、使用无细胞系统实现强大的材料加工能力。2022年，将无细胞系统扩展到不同的细胞种类和哺乳动物细胞类型。2025年，利用无细胞系统大规模生产复杂的生物制品，包括翻译后修饰的蛋白质。2030年，建立无细胞“分布式加工”，实现原料的可持续利用；设计可用于按需、实时诊断的冷冻干燥的无细胞系统增强材料。2040年，建立按需和个性化生物制造平台的无细胞系统；开发碳优化的无细胞生物转化技术，用于材料的工业规模生产。

7、通过工程生物学实现组件和材料的选择性降解。2022年，识别和设计酶，以相互作用并降解具可调性能的聚合物基质；识别能与聚合物系统的硬链段和软链段相互作用并降解的酶；设计和改造细胞半衰期和图形，以保持材料的持久性。2025年，设计能降解或逆转用于结合蛋白质和聚合物的点击化学反应的工程酶，同时保持聚合物和蛋白质的完整性；设计活细胞产生和分泌目标酶，用于原位调控聚合物支架；实现强制应用和特定的ECM结合以触发ECM降解；实现水性生物分子与现有不溶性聚合物能以高亲和力相互作用。2030年，设计可以打破杂原子之间特定类别的化学键或可针对性破坏不饱和键的多特异性酶。

8、工业基础设施和加快含生物成分材料的下游加工。2022年，通过采用工艺密集化原则的模块化单元设计，使系统能以半连续模式运行，加快运输和反应过程；建立5个以上生产生物分子和生物材料的中试规模设施（300~10000L），这些设施每个都需要实现发酵、下游加工和原料供应。2025年，模块化和现场生物制造的过程监测和控制，结合领域专业知识；建立健全生物分子和生物材料生产的中试规模设施网络（25个以上）。2030年，实现均相生物催化、非均相催化和非均相生物催化与分离的单元操作的全面整合；开发生物分子和生物材料的需求点生产。2040年，在需求点快速建立基础设施，用于大规模生产生物分子和生物材料。

四、性质与性能

该主题包含材料动态特性和活动的工程化，包括传感和响应、通信和计算，以及通过纳入或激活生物成分进行自修复。预期该主题的重点突破的技术能力及重大研究进展如下：

1、通过引入反馈回路以保持性能，适应波动的环境条件并展示失衡的行为，从而实现生物材料的自调节。2022年，利用DNA和RNA纳米结构构建以依赖刺激的方式动态重组的成分和材料；实现将环境刺激与输出联系起来的遗传电路设计，例如确定细胞力学特性的细胞内蛋白质，或参与复合材料或细胞外基质的分泌蛋白质；能够在模型生物体中快速原型化反馈电路的新型组件，包括具有精确定义特征的传感器、逻辑门和执行器。2025年，通过对细胞材料的蛋白质进行翻译后修饰，实现反馈电路的工程化以维持稳态；在各种生物中快速创建具有精确定义特征的新逻辑门；使细胞能对多个外部信号进行更复杂的逻辑门处理，并与生物学功能相联系；设计反馈机制，以响应计划操作中的不同刺激。2030年，在细胞外基质材料中嵌入主动反应机制；在细胞中加入控制电路，抵消特定刺激的影响，限制或阻碍反应。

2、实现具有自修复能力的材料。2022年，实现更多能天然自修复的生物分子，可用作包括蛋白质和氨基酸在内的材料生物成分；改进和优化生物合成材料的结构性能指标，如修复时间、强度、刺激范围等。2030年，在细胞内设计电路，使其功能可适应不断变化的条件，从故障中恢复，并根据需要重新配置功能；模仿自然中的自修复，在非生物材料和复合材料中实现自主和自驱动的自修复。2040年，设计合成细胞系统，以创造出分层的自修复复合材料，该材料可在宽带频率下运行。

3、实现能感知、编码和存储多模态、多路复用环境信号的材料。2022年，使用3D打印或其他自上而下的方法组装定制的细胞传感器和执行器阵列和联盟；快速创建具有精确定义特性的新传感器；实现从生物传感器到机器可读形式的信息传输，反之亦然，从而可靠地解释生物信号；在刺激暴露后2~3分钟内实现细胞或无细胞系统反应。2025年，将已进化出刺激反应功能的蛋白质改造成生物材料，以实现新的传感和信号传递特性；使用生物分子信号库（如RNA或蛋白质）记录多种类型的时间和空间域事件，存储不同类型的信号，以便通过高通量测序等方式读出；开发除了化学通信之外，通过可激发膜使用基于离子的通信的手段，以实现更快、更特定位置的通信；能设计新的表面受体，用于传感和细胞对细胞的信号传递；开发新的生物分子（如多肽）信号存储机制。2030年，能设计新的异质复合物表面受体，用于多路复用传感和细胞到细胞的信号传递；通过细胞或无细胞电路对不同时间和空间尺度的信号进行定制集成，以处理输入并引导细胞响应。2040年，设计具有哨兵传感器网络的材料，可以感知和集成众多信号；从生物系统中开发新的通信形式，如光或机械力的生产。

4、通过非生物材料实现生物控制。2022年，开发能分泌分子信息的类细胞材料；应用刺激响应型蛋白质，如光响应型、pH响应型、温度响应型、机械敏感型等，示范其在增强高分子材料性能方面的应用。2025年，将各种能感知非生物刺激的天然蛋白质融入生物复合材料中，并示范组合感应；通过外部刺激或细胞感应到所要监测的环境条件不再存在时，设计出任务完成后阻止新陈代谢或程序性细胞死亡。2030年，建立聚合物支架或类细胞材料的关键设计原则，以增强生物功能。2040年，开发能够增强自然活细胞功能的聚合物支架或类细胞材料。

5、利用生物学来实现材料的化学、热、动力学及电储存和释放。2022年，设计更有效、可储存和释放能量的生物分子和应变底盘；开发生物结构以定位和动态释放非生物成分。2025年，设计生物组分对环境刺激的能量储存和释放。2030年，设计可使能源存储和释放到广泛的刺激需求的材料。2040年，能在单一材料中结合多种储存释放机制。

6、表征材料生物组分动态的工具和技术。2022年，开发自动化和其他高通量的方法，在一系列条件下，以及在悬浮液中的细胞时间变化下，测试细胞感官反应。2025年，实现材料变形时活力、形态、运动等细胞行为的可视化；开发自动化和其他高通量方法，用于测试固体（生物或复合材料）材料中一系列动态条件下的细胞感官反应。2030年，开发在非生物材料成分存在的情况下测量细胞特性和功能的技术；开发能在分子尺度上确定动态捕获的生物材料中的构象熵和构型熵的技术，设计和控制其功能和特性；开发可以在一系列实际应用环境中现场测试感官反应材料的高通量方法；发展表征方法，了解细胞在剪切应力下的行为，如运动、变形、活力等。

7、测量以生物通量和规模运行的材料特性和性能的工具和技术。2025年，为活细胞等材料开发合适的建模技术，这些技术与实验观察到的特性有良好的相关性；开发可以从用于测试材料性能的不同类别的实验中学习的模型；通过高通量筛选含有生物成分的材料，进行结构性能图谱的绘制；实现附着力、拉伸强度等物理性能表征的高通量方法。2030年，开发高分辨率和三维成像方法，以捕捉材料内生物成分的细微差异。2040年，对实时生产的材料进行体内表征；将二维测量方法扩展到大体积各向异性三维结构。                           （郑颖）