Исследователи из Университета Дьюка превратили бактерии в строителей полезных устройств, запрограммировав их с помощью синтетической генной схемы.
Поскольку бактериальная колония вырастает до формы полушария, генная цепь запускает производство определенного типа белка, который распределяется внутри колонии и может привлекать неорганические материалы. При добавлении исследователями наночастиц золота система образует вокруг колонии бактерий золотую оболочку, размер и форму которой можно контролировать, изменяя среду роста.
Результатом является устройство, которое можно использовать в качестве датчика давления, доказывая, что процесс может создавать работающие устройства.
В то время как другие эксперименты успешно выращивали материалы с использованием бактериальных процессов, они полностью полагались на внешний контроль над местом роста бактерий и были ограничены двумя измерениями. В новом исследовании исследователи из Университета Дьюка демонстрируют создание сложной структуры путем программирования самих клеток и контроля их доступа к питательным веществам, но при этом оставляя бактерии свободными для роста в трех измерениях.
Исследование опубликовано в Интернете 9 октября в журнале Nature Biotechnology.
«Эта технология позволяет нам вырастить функциональное устройство из одной клетки», - сказал Линчонг Ю, адъюнкт-профессор инженерных наук Пола Раффина Скарборо в Университете Дьюка. «По сути, это ничем не отличается от программирования клетки для выращивания целого дерева».
Природа полна примеров того, как жизнь сочетает органические и неорганические соединения для создания лучших материалов. У моллюсков вырастают раковины, состоящие из карбоната кальция, переплетенного с небольшим количеством органических компонентов, в результате чего их микроструктура в три раза прочнее, чем только карбонат кальция. Наши собственные кости представляют собой смесь органического коллагена и неорганических минералов, состоящую из различных солей.
Использование таких строительных способностей бактерий имело бы много преимуществ по сравнению с текущими производственными процессами. В природе биологическое производство использует сырье и энергию очень эффективно. В этой синтетической системе, например, настройка инструкций по выращиванию для создания различных форм и узоров теоретически может быть намного дешевле и быстрее, чем отливка новых штампов или форм, необходимых для традиционного производства.
«Природа - мастер изготовления структурированных материалов, состоящих из живых и неживых компонентов», - сказал Ю. «Но необычайно сложно запрограммировать природу на создание самоорганизующихся паттернов. Эта работа, однако, является доказательством того, что это не невозможно».
Генетическая схема подобна биологическому набору инструкций, которые исследователи встраивают в ДНК бактерии. Сначала инструкции говорят бактериям производить белок, называемый РНК-полимеразой Т7 (T7RNAP), который затем активирует собственную экспрессию в петле положительной обратной связи. Он также производит небольшую молекулу, называемую АГЛ, которая может распространяться в окружающей среде как мессенджер.
По мере того, как клетки размножаются и растут наружу, концентрация небольшой молекулы-мессенджера достигает критического порога концентрации, вызывая выработку еще двух белков, называемых лизоцимом T7 и curli. Первый ингибирует выработку T7RNAP, а второй действует как своего рода биологическая липучка, которая может цепляться за неорганические соединения.
Динамическое взаимодействие этих петель обратной связи приводит к тому, что бактериальная колония растет в форме купола, пока не закончится пища. Это также заставляет бактерии снаружи купола производить биологическую липучку, которая захватывает золотые наночастицы, предоставленные исследователями, образуя оболочку размером с вашу среднюю веснушку.
Исследователи смогли изменить размер и форму купола, контролируя свойства пористой мембраны, на которой он растет. Например, изменение размера пор или того, насколько мембрана отталкивает воду, влияет на то, сколько питательных веществ передается клеткам, изменяя характер их роста.
«Мы демонстрируем один из способов изготовления трехмерной структуры, полностью основанный на принципе самоорганизации», - сказал Стефан Заушер, семейный профессор машиностроения и материаловедения Штернбергов в Duke. «Эта трехмерная структура затем используется в качестве каркаса для создания устройства с четко определенными физическими свойствами. Этот подход вдохновлен природой, и поскольку природа не делает этого сама по себе, мы манипулируем природой, чтобы сделать это. для нас."
Чтобы показать, как их система может быть использована для производства рабочих устройств, исследователи использовали эти гибридные органические/неорганические структуры в качестве датчиков давления. Идентичные массивы куполов были выращены на двух поверхностях подложек. Затем две подложки были скреплены вместе, так что каждый купол располагался прямо напротив своего аналога на другой подложке.
Каждый купол был затем подключен к светодиодной лампочке через медную проводку. Когда на сэндвич оказывалось давление, купола вдавливались друг в друга, вызывая деформацию, приводящую к увеличению его проводимости. Это, в свою очередь, заставляло соответствующие светодиодные лампочки становиться ярче на определенную величину в зависимости от величины приложенного давления.
«В этом эксперименте мы в первую очередь сосредоточились на датчиках давления, но количество направлений, в которых его можно было бы использовать, огромно», - сказал Уилл (Янсяолу) Цао, научный сотрудник лаборатории Ю и первый автор исследования. бумага. «Мы могли бы использовать биологически чувствительные материалы для создания живых цепей. Или, если бы мы могли поддерживать жизнь бактерий, вы могли бы представить себе материалы, которые могли бы исцелять себя и реагировать на изменения окружающей среды."
«Еще один аспект, который нам интересен, - это создание гораздо более сложных шаблонов», - сказал Ю. «Бактерии могут создавать сложные схемы ветвления, просто мы пока не знаем, как заставить их делать это самостоятельно».