骨是由矿物质、活细胞和其他物质组成的矩阵。受骨等天然材料的启发，美国麻省理工学院（MIT）的工程师们利用细菌产生的生物膜，创建出新的可包含金纳米颗粒和量子点的活性生物材料。该材料不仅有活细胞的优点，可以对环境作出反应，产生复杂的生物分子，且具有非生物材料的优点，如增加了导电和发光的功能。相关研究成果发表在2014年3月23日的《自然材料》。 研究小组选择大肠杆菌作为研究对象，因为这种细菌可以产生生物膜，这种膜包含名为“螺旋纤维”的淀粉蛋白，有助于大肠杆菌附着在其他物体的表面。每根螺旋纤维都是由相同的蛋白亚基CsgA重复构成的蛋白链。其中CsgA亚基上可以进行添加多肽的修饰，以赋予其捕捉非生物材料，如金纳米颗粒的功能，并将其纳入生物膜中。 通过细胞编程使细胞在一定条件下产生不同类型的螺旋纤维，研究人员能够控制生物膜的特性，例如制造金纳米线、传导生物膜、镶嵌量子点的生物膜，或具有量子力学性能的微晶体。他们还设计了可互相通信的细胞，由此随时间改变膜的构成。 首先，MIT的研究小组使细菌细胞丧失产生CsgA的能力，取而代之人工设计的基因电路，该线路仅在特定条件下，即AHL分子存在的情况下才能产生CsgA。由此研究人员就能通过调节细胞环境中AHL的量来控制螺旋纤维的产生。当AHL存在时，细胞分泌CsgA，形成的螺旋纤维聚结成生物膜，覆盖在细胞生长地方的表面。 随后研究人员改造大肠杆菌细胞，使其在有aTc分子存在的情况下产生CsgA，并附加了由组氨酸簇组成的肽链。上述两种类型的工程细胞可以在同一个菌落生长，使研究人员可通过改变环境中AHL和aTc的量来调控生物膜的组成成分。如果AHL和aTc都存在，生物膜就包含含肽链和不含肽链的CsgA链。如果细菌生长环境中添加金纳米颗粒，组氨酸标签就会将其捕获，并形成一行行的金纳米线和能导电的网络。 在量子点上涂一层SpyCatcher（SpyTag伴侣），就能使SpyTag与量子点结合。如果在螺旋纤维中添加量子点，研究人员就能构建产生附有SpyTag肽链螺旋纤维的工程细胞。这些细胞还能和产生组氨酸标签纤维的细胞一起生长，由此材料中将同时含有量子点和金纳米颗粒。 目前，这种新材料只是简单示范，未来还将用于更复杂的设备，如如太阳能电池、自我修复材料、诊断传感器等。