微生物群落及其定殖环境之间的相互作用是生物地球化学循环、生态恢复力和人类健康的关键途径。能够可控地调节这种微生物活性的新材料可能有助于基础和应用研究，包括药物输送、人工光合作用、生物混合燃料电池、二氧化碳固定和生物材料。土壤的微生物定殖环境是自然界中微生物与物质相互作用的完美例子，它代表了一个机械和化学结合的系统，可以根据外部环境重塑其特性。土壤多孔结构内的空间复杂和动态环境支持土壤微生物群落的高度多样性和密度，而微生物群落又介导了重要的生物地球化学循环，为土壤系统提供氮、磷和硫等营养物质。因此，可以假设，土壤启发的化学系统，包括孔隙度、化学非均质性和动态性质，就像天然土壤的那些一样，可以作为调节微生物系统的响应平台鉴于此，芝加哥大学田博之、Yiliang Lin等人描述了使用自下而上的方法设计和合成用于微生物调节的土壤启发材料，并展示了其作为体外和体内响应性微生物调节平台的能力。成果发表在Nature Chemistry上。研究人员将纳米结构矿物(天然土壤的一种成分) 与淀粉颗粒和液态金属（共晶镓-铟）一起作为结构构建块，赋予材料动态响应性。这三个组分大致代表了天然土壤中的无机相、有机相和流动相。蒙脱石纳米粘土（纳米结构矿物）可以复制天然矿物的化学成分，是普通土壤的天然复合物。淀粉和液态金属成分增加了天然土壤不具备的响应性和附加功能。具体来说，随着温度的升高，淀粉颗粒在悬浮液中发生堵塞和糊化。镓基液态金属具有金属和流体性质的独特组合，可在接近或低于室温时发生相变，具有独特的性质。因此，镓在生物相关应用中引起了相当大的关注，包括药物输送、正电子发射断层成像和肺部感染治疗为了引入孔隙度和化学异质性，这对土壤的响应特性和微生物界面至关重要，研究人员采用了冰模板法，然后进行热压缩进行制备。首先，研究人员在容器中剧烈混合纳米粘土、淀粉颗粒和液态金属颗粒的水悬浮液。冷冻干燥前，液态金属和粘土颗粒的尺寸为纳米级，而淀粉颗粒的尺寸约为10.1 μm。冷冻干燥后，样品形成了一种不均匀分布的矿物基层状支架，其中淀粉颗粒和液态金属颗粒主要附着在矿物膜或层表面；这种非均匀分布对于材料的机械、化学和光学响应特性至关重要。然后，通过热压缩将样品转化为更致密、多层但仍然多孔的支架。淀粉颗粒在热压缩过程中变形，并由于相邻矿物层之间的胶水状结合而使复合材料增韧。淀粉颗粒的大尺寸也防止了复合材料完全坍塌成无孔复合材料。研究人员随后使用基于同步加速器的相关三维X射线荧光和光学层析成像以及电子显微镜成像，确认了土壤启发材料在结构上与天然土壤相似，具有非均匀孔隙度。研究还发现与土壤一样，多孔复合物是一种活性基质，它对力和化学蒸汽有反应。机械力使液态金属液滴的化学重新分布成为连续的路径；有趣的是，这种机械诱导的、电连续的通路对化学物质敏感，可以被化学蒸汽擦除。我们测试了不同的溶剂，发现乙醇、异丙醇（IPA）、邻二甲苯和四氢呋喃（THF）等溶剂可以消除土壤激发材料的导电性。因此，受土壤启发的材料是一种机械和化学反应的基质：可以通过压痕（可保持数月）写入/编码电导率，然后通过化学蒸汽暴露擦除电导率。此外，土壤启发系统也可以用激光书写方式进行后合成修饰，以从原子尺度赋予化学异质性。在体外实验中，这种受土壤启发的材料可以促进生物膜的生长、细菌的生长和生物燃料的生产。在体内，该材料丰富了肠道细菌多样性，并在病理生理条件下纠正细菌失调。在葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的啮齿动物结肠炎模型中，它还有效地保护胃肠上皮，并减轻结肠炎症状。图|用于肠道微生物群调节和DSS诱导的结肠炎体内治疗综上所述，这项工作介绍了土壤激发化学系统的合成和表征。研究人员证明了其作为动态响应材料平台在体外和体内微生物调节中的效用。土壤启发的化学系统显示出治疗胃肠道疾病的前景，这表明它是现有技术的治疗替代品。除了肠道微生物群之外，这个化学系统还可以扩展到其他微生物群的研究，例如皮肤和土壤微生物群，这将对人类健康和农业生态系统的稳定性和生产力产生影响。Lin, Y., Gao, X., Yue, J. et al. A soil-inspired dynamically responsive chemical system for microbial modulation. Nat. Chem. (2022).https://doi.org/10.1038/s41557-022-01064-2
