Bacteriën Kunnen Futuristische 'Zelfgenezende' Materialen Laten Groeien

{h1}

Onderzoekers hebben levende materialen geproduceerd door bacteriën biologische films te laten groeien, een stap in de richting van productiestructuren die zijn geprogrammeerd om zichzelf te assembleren en zichzelf te genezen.

Waarom zou u materialen produceren als u ze biologisch kunt laten groeien?

Onderzoekers hebben "levende" materialen geproduceerd door bacteriën aan te duwen om biologische films te laten groeien. Dit proces kan op zijn beurt leiden tot de ontwikkeling van meer complexe en interactieve structuren die zijn geprogrammeerd om zichzelf te assembleren tot specifieke patronen, zoals patronen die worden gebruikt op zonnecellen en diagnostische sensoren, en zelfs zelfherstellende materialen die schade kunnen detecteren en repareren, een nieuwe studie vindt.

"In tegenstelling tot materialen die we in het moderne leven gebruiken, die allemaal dood zijn, hebben levende materialen het vermogen om zichzelf te genezen, zich aan te passen aan de omgeving, vormen zich in complexe patronen en vormen en genereren nieuwe functionele materialen en apparaten van onderaf, "zei hoofdauteur Timothy Lu, een biologische ingenieur aan het Massachusetts Institute of Technology.

Zulke 'levende materialen' zijn in essentie hybriden die het beste van twee werelden hebben: de voordelen van zowel levende cellen die zich zelfstandig kunnen organiseren en laten groeien, als niet-levende materialen die functies toevoegen zoals elektriciteitgeleiding of lichtemissie. [Biomimicry: 7 slimme technologieën geïnspireerd door de natuur]

Andere onderzoekers keken bijvoorbeeld naar de mogelijkheid om virussen in nieuwe materialen te organiseren. Maar Lu zei dat de aanpak van zijn team anders is. "Vroegere systemen maken geen gebruik van de kenmerken van levende organismen", vertelde hij aan WordsSideKick.com. "Ook de syntheseprocessen van de meeste moderne materialen zijn energie-intensieve, mens-intensieve inspanningen, maar we stellen voor biologie te gebruiken om materialen van onderaf op een milieuvriendelijke manier te laten groeien."

Leren van botten

Voor het maken van de materialen liet het team van Lu zich inspireren door natuurlijke materialen, zoals botten en tanden, die een mix van mineralen en levende cellen bevatten. Botten groeien wanneer cellen zich in specifieke patronen rangschikken en vervolgens speciale eiwitten uitscheiden om de calciumfosfaatstructuren te produceren.

Lu's team probeerde hetzelfde te doen door herprogrammering Escherichia colibacteriële cellen met behulp van genetische manipulatie om de eiwitten te produceren.

E coliproduceer op natuurlijke wijze biofilms die een speciaal type eiwit bevatten, curli-vezels genoemd, die de bacteriën helpen aan oppervlakken te hechten en waarvan bekend is dat ze de sterkte van staal hebben. Elke curli-vezel bestaat uit een keten van identieke eiwiteenheden, CsgA genaamd, die kan worden gewijzigd door eiwitfragmenten genaamd peptiden toe te voegen. Deze peptiden kunnen niet-levende materialen vangen, zoals gouden nanodeeltjes, en ze opnemen in de biofilms.

Het doel van de onderzoekers was om de bacteriën de eiwitmatrix te laten afscheiden in reactie op specifieke stimulantia.

Om dit te doen, hebben de onderzoekers het natuurlijke vermogen van de bacteriecellen om CsgA te produceren uitgeschakeld en vervangen door een gemanipuleerde genetische code die CsgA-eiwitten alleen onder bepaalde omstandigheden produceert - wanneer een molecuul met de naam AHL aanwezig is.

De wetenschappers konden vervolgens de hoeveelheid AHL in de omgeving van de cellen aanpassen, en wanneer AHL aanwezig was, produceerden de cellen CsgA, waardoor curli-vezels werden samengevoegd tot een biofilm.

Het team is vervolgens aangepast E coli op een andere manier, om ervoor te zorgen dat het CsgA produceert met een specifiek peptide met veel histidine-aminozuren, maar alleen wanneer een molecuul genaamd aTc aanwezig was.

"Hierdoor konden we de materialen controleren die door de bacteriën werden gemaakt met behulp van externe signalen," zei Lu. Gewoon door de hoeveelheid AHL en aTc in de gewijzigde te verhogen of te verlagen E coliomgeving, konden ze de productie en samenstelling van de resulterende biofilms wijzigen.

Het team heeft vervolgens de eiwitten aangepast om anorganische materialen, zoals gouden nanodeeltjes en kwantumstippen, te laten groeien op de biofilms. Door dit te doen, construeerden de onderzoekers zelfgroeiend E coli biofilms die elektriciteit kunnen geleiden of fluorescentie kunnen afgeven.

"Sprekende" cellen

De onderzoekers hebben ook gemodificeerd E coli dus de cellen kunnen met elkaar 'praten' en de vorming van materialen coördineren waarvan de eigenschappen veranderen in de loop van de tijd, zonder menselijke input te vereisen. "Uiteindelijk hopen we na te gaan hoe natuurlijke systemen, zoals bot, zich vormen. Niemand vertelt wat hij moet doen, maar het genereert een materiaal als reactie op omgevingssignalen," zei Lu. [Bone Basics: 11 verrassende feiten over het skelet]

"Men kan zich voorstellen materialen te laten groeien met zonlicht in plaats van dat ze zeer energie-intensieve processen voor de synthese van top-down materialen nodig hebben," voegde hij eraan toe.

Lu voorziet ook levende cellulaire sensoren die hun eigenschappen veranderen wanneer ze specifieke omgevingssignalen detecteren, zoals toxines.

Tot slot, door de biofilms te coaten met enzymen die de afbraak van cellulose katalyseren, kan dit werk leiden tot materialen die landbouwafval verwerken tot biobrandstoffen.

Het onderzoek is niet beperkt tot E coli. "We overwegen het gebruik van fotosynthetische organismen en schimmels als andere productieplatforms," ​​zei Lu. "Bovendien hebben we alleen de interface van biologie met goud en halfgeleider nanokristallen aangetoond, maar er zijn veel andere materialen die kunnen worden gekoppeld."

Ahmad Khalil, een biomedisch ingenieur aan de Universiteit van Boston die niet betrokken was bij de studie, juichte het werk toe.

"Dit werk presenteert, voor zover ik weet, een van de eerste demonstraties van het gebruik van synthetische biologiebenaderingen om deze cellulaire mechanismen opnieuw te bedraden of te manipuleren om precies te bepalen hoe anorganische materialen worden geassembleerd of gesynthetiseerd op een moleculaire biosjabloon, waardoor een weg wordt geboden voor genetisch gecodeerde materiaalkunde, "vertelde Khalil aan WordsSideKick.com.

De studie werd gedetailleerd beschreven in het nummer van 23 maart van het tijdschrift Nature Materials.

Volg ons @wordssidekick, Facebook & Google+. Oorspronkelijk artikel op WordsSideKick.com. Volg de auteur op Twitter @SciTech_Cat.


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com