Bakterier med syntetisk genkredsløb samler sig selv for at bygge arbejdsenhed med guldnanopartikler

Forskere ved Duke University har forvandlet bakterier til bygherrer af nyttige enheder ved at programmere dem med et syntetisk genkredsløb.

Når en bakteriekoloni vokser til form af en halvkugle, genkredsløbet udløser produktionen af ​​en type protein til at fordele sig inden for kolonien, der kan rekruttere uorganiske materialer. Når de forsynes med guld-nanopartikler af forskere, systemet danner en gylden skal omkring bakteriekolonien, hvis størrelse og form kan kontrolleres ved at ændre vækstmiljøet.

Resultatet er en enhed, der kan bruges som en tryksensor, beviser, at processen kan skabe fungerende enheder.

Mens andre eksperimenter med succes har dyrket materialer ved hjælp af bakterielle processer, de har helt stolet på eksternt at kontrollere, hvor bakterierne vokser og har været begrænset til to dimensioner. I den nye undersøgelse, forskere ved Duke demonstrerer produktionen af ​​en sammensat struktur ved at programmere cellerne selv og kontrollere deres adgang til næringsstoffer, men lader stadig bakterierne vokse i tre dimensioner.

Undersøgelsen vises online den 9. oktober i Natur bioteknologi .

"Denne teknologi giver os mulighed for at dyrke en funktionel enhed fra en enkelt celle, " sagde Lingchong You, Paul Ruffin Scarborough Associate Professor of Engineering ved Duke. "Grundlæggende det er ikke anderledes end at programmere en celle til at dyrke et helt træ."

Naturen er fuld af eksempler på liv, der kombinerer organiske og uorganiske forbindelser til at lave bedre materialer. Bløddyr dyrker skaller bestående af calciumcarbonat sammenflettet med en lille mængde organiske komponenter, hvilket resulterer i en mikrostruktur tre gange hårdere end calciumcarbonat alene. Vores egne knogler er en blanding af organisk kollagen og uorganiske mineraler, der består af forskellige salte.

At udnytte sådanne konstruktionsevner i bakterier ville have mange fordele i forhold til nuværende fremstillingsprocesser. I naturen, biologisk fremstilling bruger råmaterialer og energi meget effektivt. I dette syntetiske system, for eksempel, justering af vækstinstruktioner for at skabe forskellige former og mønstre kunne teoretisk set være meget billigere og hurtigere end at støbe de nye matricer eller forme, der er nødvendige til traditionel fremstilling.

"Naturen er en mester i at fremstille strukturerede materialer bestående af levende og ikke-levende komponenter, " sagde du. "Men det er ekstraordinært svært at programmere naturen til at skabe selvorganiserede mønstre. Dette arbejde, imidlertid, er et princip-bevis på, at det ikke er umuligt. "

Det genetiske kredsløb er som en biologisk pakke med instruktioner, som forskere indlejrer i en bakteries DNA. Vejledningen fortæller først, at bakterierne skal producere et protein kaldet T7 RNA polymerase (T7RNAP), som så aktiverer sit eget udtryk i en positiv feedback-loop. Det producerer også et lille molekyle kaldet AHL, der kan diffundere ind i miljøet som en budbringer.

Når cellerne formerer sig og vokser udad, koncentrationen af ​​det lille messengermolekyle rammer en kritisk koncentrationstærskel, udløser produktionen af ​​yderligere to proteiner kaldet T7 lysozym og curli. Førstnævnte hæmmer produktionen af ​​T7RNAP, mens sidstnævnte fungerer som en slags biologisk velcro, der kan låse fast på uorganiske forbindelser.

Den dynamiske interaktion mellem disse feedback-sløjfer får bakteriekolonien til at vokse i et kuppelformet mønster, indtil den løber tør for mad. Det får også bakterierne på ydersiden af ​​kuplen til at producere den biologiske velcro, som griber fat i guldnanopartikler leveret af forskerne, danner en skal på størrelse med din gennemsnitlige fregne.

Forskerne var i stand til at ændre kuplens størrelse og form ved at kontrollere egenskaberne af den porøse membran, den vokser på. For eksempel, ændring af porernes størrelse, eller hvor meget membranen afviser vand, påvirker hvor mange næringsstoffer der sendes til cellerne, ændre deres vækstmønster.

"Vi demonstrerer en måde at fremstille en 3D-struktur udelukkende baseret på princippet om selvorganisering, sagde Stefan Zauscher, Sternberg-familiens professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke. "Denne 3D-struktur bruges derefter som et stillads til at generere en enhed med veldefinerede fysiske egenskaber. Denne tilgang er inspireret af naturen, og fordi naturen ikke gør dette alene, vi har manipuleret naturen til at gøre det for os."

For at vise hvordan deres system kunne bruges til at fremstille arbejdsenheder, forskerne brugte disse hybrid organiske/uorganiske strukturer som tryksensorer. Identiske arrays af kupler blev dyrket på to substratoverflader. De to substrater blev derefter klemt sammen, således at hver kuppel blev placeret direkte over for sin modpart på det andet substrat.

Hver kuppel blev derefter forbundet til en LED-pære gennem kobberledninger. Når der blev lagt pres på sandwich, kuplerne presset ind i hinanden, forårsager en deformation, hvilket resulterer i en stigning i dets ledningsevne. Det her, på tur, forårsagede, at de tilsvarende LED -pærer lyser en vis mængde afhængigt af det tryk, der påføres.

"I dette eksperiment er vi primært fokuseret på tryksensorerne, men antallet af retninger, dette kunne tages i, er enormt, " sagde Will (Yangxiaolu) Cao, en postdoc-medarbejder i You's laboratorium og førsteforfatter af papiret. "Vi kunne bruge biologisk responsive materialer til at skabe levende kredsløb. Eller hvis vi kunne holde bakterierne i live, du kunne forestille dig at lave materialer, der kunne helbrede sig selv og reagere på miljøændringer."

"Et andet aspekt, vi er interesseret i at forfølge, er, hvordan man genererer meget mere komplekse mønstre, " sagde du. "Bakterier kan skabe komplekse forgreningsmønstre, vi ved bare ikke, hvordan vi skal få dem til at gøre det selv – endnu."