破界 · 融合 · 创新——跨学科团队联袂编撰《材料合成生物学》 ， 助力战略性新兴领域发展

人类文明的长河，伴随着材料演进的壮丽史诗。铁器的出现，极大地增强了人类改造自然的能力。而硅的发现，照亮了信息革命的道路，引领我们步入了数字时代。每一次材料的革新都深刻地改变了人类社会的面貌。随着合成生物学的蓬勃发展，人类对生命的改造和控制的边界也在不断拓宽。

材料合成生物学（亦称工程活体材料、活体功能材料，或简称为活材料）作为一门新兴的交叉学科，将生物学的原理与工程学的手段相结合，它将生命体系的独特属性赋予材料，使创造的材料拥有了自再生、自修复、自适应及环境响应等卓越性能，使创造的材料拥有了自再生、自修复、自适应及环境响应等卓越性能，推动了材料科学的跨越式进步。它不仅改变了我们获取和使用材料的方式，更在潜移默化中改写着人类的生活方式。材料合成生物学正是这一变革浪潮中的璀璨明珠，它站在材料与生物的交叉领域，将两者的优势巧妙融合，为人类社会带来了前所未有的创新机遇。

在不久的将来，我们的日常生活将发生翻天覆地的变化：皮包不再是传统皮革的制品，而是由蘑菇菌丝巧妙编织而成；餐桌上的培根，也不再来源于猪肉，而是蘑菇经过精心培育的杰作；牛肉，无需宰杀牲畜，可以直接在实验室里“培养”出来；疫苗，不再依赖于复杂的生产线，而是有可能直接从地里“长出来”；衣服，在完成使命后，可以直接自然降解，回归土地；汽油，不再是石油的衍生品，而是微生物直接生产的清洁能源……这些曾经只存在于科幻小说中的场景，如今正逐渐变为现实。

追溯历史，该领域诞生于2014 年，哈佛大学和麻省理工学院的研究人员分别提出了活材料的概念。同年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）提供了高达5000 万美元的资金支持，用于该领域的技术开发。进入21 世纪20 年代，随着全球对可持续发展的高度重视，该领域迎来了爆发式增长，各国纷纷加大投入，竞相布局。2021 年，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》（Engineering Biology and Materials Science: ARoadmap for Interdisciplinary Innovation），聚焦两大领域的深度融合与技术创新。同年，欧洲创新理事会（EIC）也将工程活体材料纳入首批“探路者”项目，彰显其战略地位。2023 年，美国国家科学基金会（NSF）更是宣布斥资1.62 亿美元，推动包括工程活体材料在内的九项先进材料研发，并与美国国家癌症研究所（NCI）联合举办研讨会，深入探讨活材料在医疗领域的应用前景。德国科学基金会（DFG）亦不甘落后，设立了为期六年的“适应性工程活体材料”优先项目，旨在促进生命体系与非生命体系的协同创新与市场应用。在国内，国家重点研发计划亦在2020 年和2024 年持续布局，为该领域的蓬勃发展提供有力支撑。

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材料合成生物学

钟超主编

北京 : 科学出版社 ; 济南 : 山东科学技术出版社, 2025. 3

(合成生物学丛书)

ISBN 978-7 -03 -081287-2

鉴于材料合成生物学的迅猛发展态势，我们有幸邀请国内从事可持续生物材料研究的青年才俊，共同撰写《材料合成生物学》，以期为有志于该领域的同仁提供参考与借鉴。

作为国内率先以“材料合成生物学”命名的权威著作，该书全面而深入地探讨了蛋白质、多糖、DNA 等天然高分子材料，以及可降解高分子材料和功能化“活材料”等领域的最新进展与发展趋势，并对材料合成生物学的未来发展之路进行了深刻洞察与展望。该书不仅为科研人员提供了丰富的理论框架与实践指导，助力其探索材料合成生物学这一新兴领域；同时，也可以作为高等院校的前沿教材，旨在帮助学生构建系统的知识体系，激发创新思维，为培养未来生物材料领域的领军人才奠定坚实基础。作为合成生物学领域的研究者，我深感材料合成生物学的重要性。它不仅为我们提供了一种全新的材料设计和制造方法，更为解决当前全球面临的资源与环境问题提供了新的思路。通过合成生物技术，我们可以设计和制造出具有自修复、自适应和智能响应等特性的新型材料，这些材料将在医疗、能源、环境等领域发挥重要作用。该书的出版，正是对这一领域研究成果的总结和展望，相信它将为材料科学、合成生物学及相应交叉学科的研究者提供宝贵的参考，推动这一领域的进一步发展。我们期待材料合成生物学在未来能够取得更多突破，为人类的可持续发展贡献力量。

元英进

中国科学院院士

2025 年3 月

本书旨在全面介绍材料合成生物学这一蓬勃发展的研究领域，涵盖其研究现状、最新进展及未来发展方向。全书内容精心组织，共分为20 章。第1 章概述材料合成生物学。第2 ～13 章聚焦于生物源的自组织材料，深入探讨其分子设计、自组装机制及功能特性，为读者呈现这一领域的丰富内涵和广阔前景。第14 ～19 章则转向活体功能材料，详细阐述其在环境治理、生物医用、材料表面涂层及黏合剂等多个领域的创新应用，展示活体材料的独特魅力和无限可能。最后，第20 章总结归纳材料合成生物学面临的挑战和发展方向，提供前瞻性的思考和探索路径。

第1 章由钟超及其团队成员编写；

第2 章由陶飞及其团队成员编写；

第3 章由陈国强、谭丹编写；

第4 章由范代娣及其团队成员编写；

第5 章由柏文琴及其团队成员编写；

第6 章由张雷及其团队成员编写；

第7 章由孙飞及其团队成员编写；

第8 章由曹毅及其团队成员编写；

第9 章由康振及其团队成员编写；

第10 章由钟成及其团队成员编写；

第11 章由仰大勇及其团队成员编写；

第12 章由高翔、王博及其团队成员编写；

第13 章由王殿冰及其团队成员编写；

第14 章由安柏霖、王艳怡及其团队成员编写；

第15 章由陈飞、于寅、霍敏锋编写；

第16 章由刘尽尧及其团队成员编写；

第17 章由李柯编写；

第18 章由王新宇及其团队成员编写；

第19 章由余子夷及其团队成员编写；

第20 章由钟超及其团队成员编写。

在此，我们衷心感谢编写团队的辛勤付出与无私奉献，感谢所有对本书出版给予支持与帮助的人们。我们诚挚地邀请广大读者与同行批评指正，共同推动该领域的繁荣发展。希望本书能为广大读者提供有益的启示与借鉴，共同开创可持续发展的美好未来。

我相信该书的出版，能够为从事材料科学、合成生物学及相关领域的研究人员、工程师和学生提供有价值的参考，也期待更多不同学科的学者和专业人士投身于这一充满前景领域的研究和应用中。未来的材料科学，必将与生命科学更加紧密地结合，而材料合成生物学将成为这一融合的核心驱动力。让我们共同期待材料合成生物学的不断突破，推动新材料的诞生，为我们的可持续未来注入新的动力。

施剑林

中国科学院院士

2025 年3 月

本文摘编自《材料合成生物学》（钟超主编. 北京 : 科学出版社 ; 济南 : 山东科学技术出版社, 2025. 3 ）一书“前言”“序一”“序二”“第1 章材料合成生物学概述”，有删减修改，标题为编者所加。

(合成生物学丛书)

ISBN 978-7 -03 -081287-2

责任编辑：王静 罗静 刘晶 陈昕 张琳

本书对材料合成生物学这一蓬勃发展的新兴交叉领域进行了系统性梳理和介绍。首先对可作为构筑单元的生物源材料进行了系统阐述，随后对“活”材料的设计与应用展开了详尽论述。具体而言，第1 章阐述了材料合成生物学的核心理念与基础概念，为后续章节奠定了坚实的理论基础。紧接着，第2 和3 章聚焦于聚乳酸与聚羟基脂肪酸酯这两大生物可降解材料的生产和应用；第4 ～13 章深入探讨蛋白质、多糖及核酸等生物大分子材料的设计原理与实践应用；第14 ～19 章对工程活体材料的设计理念、从实际应用到加工技术进行了总结，全方位展示了其在智能响应、自我修复及环境适应性等方面的应用，为材料的未来发展开辟了全新的路径。第20 章探讨了材料合成生物学领域可能的发展方向与趋势。

本书不仅是合成生物学、生物工程、生物材料、材料科学与工程等领域专家学者的研究指南，也适合作为高等院校相关专业研究生教学参考书，为培养跨学科人才贡献智慧与力量。

（本文编辑：刘四旦）

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