2026年5月8日，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发了一种生产发光生物材料的方法。他们将生物发光海洋微生物嵌入3D打印的藻酸盐水凝胶支架中，并通过化学而非机械方法激活这些支架，从而引发了一种转变，发出强烈青蓝色光，显著延长了此类器件的功能寿命。
相关研究以题为“Chemical stimulation sustainsbioluminescence of living light materials”的论文发表在《科学进展》杂志上，由杰西卡·麦基恩、李成保和乔伊·埃德温-埃泽共同撰写。
这项研究以“月形火藻”（Pyrocystis lunula）为核心，这是一种海洋甲藻（单细胞微生物），它在受到物理扰动时会自然发光。此前的研究依赖于机械刺激，但这会导致细胞结构随时间推移而退化，并且也限制了设备的使用，只能使用一次。科罗拉多大学的研究团队则另辟蹊径，通过控制酸性（pH
4）和碱性（pH 10）环境，直接利用pH依赖性的细胞内化学反应来触发生物发光。酸性环境处理产生局部、持续的发光，而碱性环境处理则引发与细胞应激相关的弥散性双相反应。化学预处理与机械压缩相结合，使总发光输出量比对照组增加两倍以上，每次可以诱导藻类发光长达25分钟。这种光来自藻类内部两种化合物的反应：一种是名为荧光素酶的酶，另一种是名为荧光素的发光分子，两者的名称都源于拉丁语，意为“光的使者”。只要能接触到海水，这些生物体“就能很好地自我维持”。
土木、环境与建筑工程系教授威尔·斯鲁巴尔说道：“这个项目简直就是登月计划。我很好奇我们能否创造一个无需电力，而是利用生物体来发光的世界。这项发现确实为研发其他生物发光材料和设备铺平了道路。”他与第一作者、同系研究员朱莉娅·布拉奇共同领导了这项研究。
生物打印与长期性能
研究团队配制了一种4 wt%的藻酸盐生物墨水，部分预先用氯化钙(CaCl₂)交联，并使用配备22G锥形喷嘴的 BIO X 挤出式生物打印机(Cellink)挤出。研究人员打印出多种形状，其中包括新月形，这个形状是为了呼应藻类在显微镜下的形态。扫描电子显微镜证实，打印的结构保持了相互连通的多孔结构，有利于营养物质交换和细胞滞留。荧光成像验证了打印后细胞在水凝胶中均匀分布。
△将P. lunula封装在藻酸盐水凝胶中可实现长期存活和均匀的空间限制
在为期四周的纵向测试中，酸刺激组的构建体在所有四个每周刺激周期内均保持了生物发光输出。碱处理组的构建体在第四周时整体信号下降了97%，并在第三周时完全丧失了功能。Kaplan-Meier生存分析显示，酸处理组的构建体在第四周时仍保持75%的发光活性，而碱处理组在第三周时发光活性已降至0%。
布拉奇说：“当我们找到合适的化学刺激剂，使灯光能够长时间保持亮着时，那真是令人兴奋。这是我们第一次找到维持发光的方法。”研究人员认为，这项工作建立了一个可重复使用的平台，可用于生物传感、软体机器人和环境监测等领域的应用，未来的工作将集中于扩大化学刺激的范围并整合多种输入类型。剑桥大学的克里斯·豪教授（他并未参与这项研究）称之为“非常有趣的第一步”，但他同时提醒说将实验室受控条件下有效的技术推广到现实世界中将是一项挑战。克里斯教授还指出，对于小型电池供电设备而言，改用生物发光技术可以显著减少电池浪费。
并非所有人都相信藻类能在这种条件下存活。卡迪夫大学荣誉退休教授安东尼·坎贝尔表示，他怀疑这些生物能否在pH值为4的溶液中长期生存——这种溶液的酸性与番茄的酸性大致相同。坎贝尔说道：“它们不喜欢这种环境，这会给它们带来压力。”科学家至今仍不清楚Pyrocystis lunula为何会进化出发光能力。一种主流理论认为，闪光具有防御功能，可以吓退捕食者。克里斯说道：“在我看来，这算是一个相当合理的解释——但目前还不能确定。”
来源：南极熊
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