Brug af bakterielle biofilm til produktion af nye selvhelbredende materialer og bioprocesseringsteknologier

For de fleste mennesker fremtryller biofilm billeder af glatte sten i et vandløb og snavsede afløb. Selvom der er masser af "dårlige" biofilm rundt omkring - de forårsager endda irriterende tandplak og en række andre mere alvorlige medicinske problemer - ser et hold ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University biofilm som en robust ny platform for designer-nanomaterialer der kunne rense forurenede floder, fremstilling af farmaceutiske produkter, fremstille nye tekstiler, og mere.

Kort sagt, de vil give biofilm et ansigtsløft, og har udviklet et nyt proteinteknologisystem kaldet BIND til at gøre det. Ved at bruge BIND, som står for Biofilm-Integrated Nanofiber Display, holdet sagde, at biofilm kunne være morgendagens levende støberier til storstilet produktion af biomaterialer, der kan programmeres til at give funktioner, der ikke er mulige med eksisterende materialer. De har indberettet proof-of-concept Naturkommunikation .

"Det meste biofilm-relateret forskning i dag fokuserer på, hvordan man kan slippe af med biofilm, men vi demonstrerer her, at vi kan konstruere disse superhårde naturmaterialer til at udføre specifikke funktioner - så vi vil måske have dem rundt i bestemte mængder og til specifikke anvendelser, " sagde Wyss Institute Core Faculty-medlem Neel Joshi, Ph.D., undersøgelsens seniorforfatter. Joshi er også lektor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Biofilm samler sig også selv og heler sig selv. "Hvis de bliver beskadiget, de vokser med det samme, fordi de er levende væv, " sagde hovedforfatter Peter Nguyen, Ph.D., en postdoc ved Wyss Institute og Harvard SEAS.

Biofilm er fællesskaber af bakterier indkapslet i en slimet, men ekstremt hård, matrix af ekstracellulært materiale sammensat af sukkerarter, proteiner, genetisk materiale med mere. Under biofilmdannelse pumper individuelle bakterier proteiner ud, som samler sig selv uden for cellen - og skaber sammenfiltrede netværk af fibre, der i det væsentlige limer cellerne sammen til samfund, der holder bakterierne sikrere, end de ville være alene.

Interessen for biofilmteknik stiger i vejret, og mens flere andre hold for nylig har udviklet genetiske værktøjer til at kontrollere biofilmdannelse, Joshis team ændrede selve sammensætningen af ​​det ekstracellulære materiale - i det væsentlige forvandlede det til en selvreplikerende produktionsplatform for at udskille det materiale, de ønsker at producere.

"Indtil for nylig var der ikke nok samarbejde mellem syntetiske biologer og biomaterialeforskere til at udnytte det syntetiske potentiale af biofilm på denne måde. Vi forsøger at bygge bro over den kløft, " sagde Joshi.

Holdet fusionerede genetisk et protein med en bestemt ønsket funktion - f.eks. en kendt for at klæbe til stål - på et lille protein kaldet CsgA, som allerede er produceret af E coli bakterie. Det vedhæftede domæne tog derefter med på turen gennem den naturlige proces, hvorved CsgA udskilles uden for cellen, hvor det selv samles til superhårde proteiner kaldet amyloid nanofibre. Disse amyloidproteiner bibeholdt funktionaliteten af ​​det tilsatte protein - og sikrede i dette tilfælde, at biofilmen klæbede til stål.

Amyloidproteiner får traditionelt en dårlig rap for deres rolle i at forårsage enorme sundhedsmæssige udfordringer såsom Alzheimers sygdom, men i dette tilfælde er deres rolle fundamental for at gøre BIND så robust. Disse amyloider kan spontant samles til fibre, der, efter vægt, er stærkere end stål og stivere end silke.

"Vi er begejstrede for metodens alsidighed, også, " sagde Joshi. Holdet demonstrerede en evne til at fusionere 12 forskellige proteiner til CsgA-proteinet, med vidt forskellige sekvenser og længder. Det betyder i princippet, at de kan bruge denne teknologi til at vise praktisk talt enhver proteinsekvens – en væsentlig egenskab, fordi proteiner udfører en række imponerende funktioner fra binding til fremmede partikler til udførelse af kemiske reaktioner, sende signaler, yde strukturel støtte, og transport eller opbevaring af visse molekyler.

Ikke alene kan disse funktioner programmeres ind i biofilmen én ad gangen, men de kan også kombineres for at skabe multifunktionelle biofilm.

Konceptet med den mikrobielle fabrik er ikke nyt, men for første gang bliver det påført materialer, i modsætning til opløselige molekyler som lægemidler eller brændstoffer. "Vi programmerer i det væsentlige cellerne til at være fabrikationsanlæg, " sagde Joshi. "De producerer ikke kun et råmateriale som en byggesten, de orkestrerer samlingen af ​​disse blokke i højere ordens strukturer og opretholder den struktur over tid."

"Det grundlæggende arbejde Neel og hans team udfører med biofilm giver et indblik i en meget mere miljømæssigt bæredygtig fremtid, hvor gigantiske fabrikker reduceres til størrelsen af ​​en celle, som vi kan programmere til at fremstille nye materialer, der opfylder vores daglige behov - fra tekstiler til energi- og miljøoprensning, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Don Ingber, M.D., Ph.D.

For nu har holdet demonstreret evnen til at programmere E coli biofilm, der klæber til visse substrater, såsom stål, andre, der kan immobilisere en række proteiner eller fremme skabelonen af ​​sølv til konstruktion af nanotråde.