Laboratoriet dyrker makroskala, modulære materialer fra bakterier

Konstruerede levende materialer lover at støtte indsatsen inden for menneskers sundhed, energi og miljøsanering. Nu kan de bygges store og tilpasses med mindre indsats.

Biovidenskabsmænd ved Rice University har introduceret slim-lignende kolonier i centimeter-skala af konstruerede bakterier, der samler sig selv nedefra og op. De kan programmeres til at opsuge forurenende stoffer fra miljøet eller til at katalysere biologiske reaktioner, blandt mange mulige anvendelser.

Skabelsen af ​​autonomt konstruerede levende materialer - eller ELM'er - har været et mål for biovidenskabsmanden Caroline Ajo-Franklin længe før hun kom til Rice i 2019.

"Vi laver materiale fra bakterier, der fungerer som kit," sagde Ajo-Franklin. "En af de smukke ting ved den er, hvor let den er at lave, den kræver blot lidt bevægelse, nogle få næringsstoffer og bakterier."

En undersøgelse offentliggjort i denne uge i Nature Communications beskriver laboratoriets skabelse af fleksible, tilpasningsdygtige ELM'er ved hjælp af Caulobacter crescentus som en biologisk byggesten. Mens bakterierne i sig selv nemt kan genetisk modificeres til forskellige processer, har det været en lang og kompliceret proces at designe dem til at samle sig selv.

Det involverede konstruktion af bakterierne til at vise og udskille biopolymermatrixen, der giver materialet dets form. C. crescentus udtrykker allerede et protein, der dækker dens ydre membran som skæl på en slange. Forskerne modificerede bakterierne til at udtrykke en version af det protein, som de kalder BUD (for bottom-up de novo, som i fra bunden), med egenskaber, der ikke kun var gunstige for dannelse af ELM'er (dubbede BUD-ELM'er), men også med tags for fremtidig funktionalisering.

Vi ønskede at bevise, at det er muligt at dyrke materialer fra celler, ligesom et træ vokser fra et frø," sagde Sara Molinari, en postdoc-forsker i Ajo-Franklins laboratorium og hovedforfatter af undersøgelsen. "Det transformative aspekt af ELM'er er at de indeholder levende celler, der gør det muligt for materialet at samle sig selv og reparere sig selv i tilfælde af skader. Desuden kan de videreudvikles til at udføre ikke-native funktioner, såsom dynamisk behandling af eksterne stimuli."

Molinari, som fik sin doktorgrad ved Rice i biovidenskabsmanden Matthew Bennetts laboratorium, sagde, at BUD-ELM er det mest tilpasselige eksempel på en autonomt dannet, makroskopisk ELM. "Det viser en unik kombination af høj ydeevne og bæredygtighed," sagde hun. "Takket være sin modulære natur kunne den tjene som en platform til at generere mange forskellige materialer."

ELM'er vokser i en kolbe på omkring 24 timer, ifølge forskerne. For det første dannes en tynd hud ved luft-vand-grænsefladen, som udså materialet. Konstant rystning af kolben tilskynder ELM til at vokse. Når det udvider sig til en tilstrækkelig størrelse, synker materialet til bunden og vokser ikke længere.

"Vi fandt ud af, at rysteprocessen påvirker, hvor stort et materiale vi får," sagde medforfatter og kandidatstuderende Robert Tesoriero Jr. "Delvis leder vi efter det optimale udvalg af materiale, vi kan få i en kolbe på omkring 250 millimeter I øjeblikket er den omtrent på størrelse med en fingernegl."

"At komme til centimeterskala med en celle, der er mindre end en mikron i størrelse, betyder, at de tilsammen organiserer sig over fire størrelsesordener, omkring 10.000 gange større end en enkelt celle," tilføjede Molinari.

Hun sagde, at deres funktionelle materialer er robuste nok til at overleve i en krukke på hylden i tre uger ved stuetemperatur, hvilket betyder, at de kan transporteres uden nedkøling.

Laboratoriet beviste, at BUD-ELM med succes kunne fjerne cadmium fra en opløsning og var i stand til at udføre biologisk katalyse, enzymatisk reducere en elektronbærer for at oxidere glucose.

Fordi BUD-ELM'er bærer tags til fastgørelse, sagde Ajo-Franklin, at det burde være relativt nemt at modificere dem til optiske, elektriske, mekaniske, termiske, transport- og katalytiske applikationer.

"Der er meget plads at lege, hvilket jeg synes er den sjove del," sagde Tesoriero.

"Det andet store spørgsmål er, at selvom vi elsker Caulobacter crescentus, er det ikke det mest populære barn på blokken," sagde Ajo-Franklin. "De fleste mennesker har aldrig hørt om det. Så vi er virkelig interesserede i at vide, om disse regler, vi har opdaget i Caulobacter, kan anvendes på andre bakterier."

Hun sagde, at ELM'er kunne være særligt nyttige til miljøsanering i miljøer med lav ressource. C. crescentus er ideel til dette, da det kræver færre næringsstoffer at vokse end mange bakterier.

"En af mine drømme er at bruge materialet til at fjerne tungmetaller fra vand, og når det når slutningen af ​​sin levetid, trække en lille del af og dyrke det på stedet til frisk materiale," sagde Ajo-Franklin. "At vi kunne gøre det med minimale ressourcer er virkelig en overbevisende idé for mig."

Medforfattere til papiret er kandidatstuderende Swetha Sridhar, postdoc-forsker Rong Cai og laboratorieleder Jayashree Soman fra Rice, Kathleen Ryan fra University of California, Berkeley, og Dong Li og Paul Ashby fra Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Californien . Ajo-Franklin er professor i biovidenskab og CPRIT-stipendiat i kræftforskning. + Udforsk yderligere

Konstruktion af levende 'stilladser' til byggematerialer