Engineering levende stilladser til byggematerialer

Når indersiden af ​​en bløddyrskal glitrer i sollys, iriseringen produceres ikke af farvede pigmenter, men af ​​bittesmå fysiske strukturer, der er selvsamlet fra levende celler og uorganiske komponenter. Nu, et team af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en platform til at efterligne denne selvsamlingsevne ved at konstruere levende celler til at fungere som udgangspunkt for at bygge kompositmaterialer.

Konstruerede levende materialer (ELM'er) bruger levende celler som "materialestilladser" og er en ny klasse af materialer, der kan åbne døren for selvhelbredende materialer og andre avancerede anvendelser inden for bioelektronik, biosensering, og smarte materialer. Sådanne materialer kan efterligne nye egenskaber, der findes i naturen - hvor et komplekst system har egenskaber, som de enkelte komponenter ikke har - såsom iriserende eller styrke.

Lån af denne kompleksitet set i naturen, forskerne i Berkeley Lab konstruerede en bakterie, der kan vedhæfte en lang række nanomaterialer til sin celleoverflade. De kan også præcist kontrollere makeup og hvor tæt pakket komponenterne er, skabe et stabilt hybrid levende materiale. Undersøgelsen, der beskriver deres arbejde, blev for nylig offentliggjort i ACS syntetisk biologi .

"Da hierarkisk rækkefølge ligger til grund for egenskaberne for mange biokompositmaterialer, at være i stand til at regulere afstanden mellem forskellige komponenter i flere dimensioner er nøglen til at designe forudsigelige ELM'er, "sagde Caroline Ajo-Franklin, en personaleforsker fra Berkeley Labs Molecular Foundry, der ledede undersøgelsen. "Vores nye platform tilbyder et alsidigt udgangspunkt, der åbner en lang række nye muligheder for at konstruere ELM'er."

Både naturlige strukturer og ELM'erne, de inspirerer, består af hierarkiske materialemønstre. Det betyder, at for et materiale lavet af byggesten i regelmæssig størrelse, hver stor blok er lavet af mindre blokke, og hver af de mindre blokke er lavet af endnu mindre stykker. For eksempel, bløddyr bygger deres skaller af super tynde "blodplader", der kun er 500 nanometer tykke, og hver blodplade er lavet af millioner af små nanograiner med en diameter på kun 30 nanometer.

For at kontrollere selvsamlingen af ​​disse typer strukturer på overfladen af ​​levende celler, Ajo-Franklin og hendes team udnyttede overfladelag (S-lag) proteiner til at danne ordnet, arklignende strukturer på overfladen af ​​mange mikrober. "Det er forskellen mellem at bygge et fundament ud af et massivt ark, der er i overensstemmelse med celleoverfladen versus et uordnet sæt strenge, "sagde Ajo-Franklin, som også har en fælles ansættelse i Berkeley Labs Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division i Biosciences -området.

Forskerne valgte bakterien Caulobacter crescentus, da den kan overleve lavnærings- og iltfattige forhold, og dets S-Layer-protein, RsaA, fordi det er meget velstuderet. Teamet konstruerede RsaA med et biologisk "lås og nøgle" system til præcist at kontrollere, hvor og hvor tæt materialer fæstner sig til celleoverfladen.

"Vi byggede et sæt bakterier, der irreversibelt kan vedhæfte en række hårde eller bløde materialer som biopolymerer eller halvledende nanopartikler til celleoverfladen uden at beskadige cellerne, "sagde Marimikel Charrier, videnskabelig ingeniørmedarbejder og hovedforfatter af undersøgelsen. "Dette levende byggesæt er et grundlæggende første skridt i retning af at skabe selvsamling, selvhelbredende, hybridbiomaterialer. "