Konstruerede proteiner klæber som lim - selv i vand

Skaldyr som muslinger og havmuslinger udskiller meget klæbrige proteiner, der hjælper dem med at klamre sig til sten eller skibsskrog, selv under vandet. Inspireret af disse naturlige klæbemidler, et team af MIT-ingeniører har designet nye materialer, der kan bruges til at reparere skibe eller hjælpe med at hele sår og kirurgiske snit.

For at skabe deres nye vandtætte klæbemidler, MIT-forskerne konstruerede bakterier til at producere et hybridmateriale, der inkorporerer naturligt klæbrige muslingeproteiner såvel som et bakterieprotein, der findes i biofilm - slimede lag dannet af bakterier, der vokser på en overflade. Når det kombineres, disse proteiner danner endnu stærkere undervandsklæbestoffer end dem, der udskilles af muslinger.

Dette projekt, beskrevet i 21. september-udgaven af ​​tidsskriftet Natur nanoteknologi , repræsenterer en ny type tilgang, der kan udnyttes til at syntetisere biologiske materialer med flere komponenter, bruger bakterier som små fabrikker.

"Det ultimative mål for os er at etablere en platform, hvor vi kan starte byggematerialer, der kombinerer flere forskellige funktionelle domæner sammen, og for at se, om det giver os en bedre materialeydelse, " siger Timothy Lu, en lektor i biologisk ingeniørvidenskab og elektroteknik og datalogi (EECS) og seniorforfatteren af ​​papiret.

Avisens hovedforfatter er Chao Zhong, en tidligere MIT postdoc, der nu er på ShanghaiTech University. Andre forfattere er kandidatstuderende Thomas Gurry, kandidatstuderende Allen Cheng, senior Jordan Downey, postdoc Zhengtao Deng, og Collin Stultz, professor i EECS.

Komplekse klæbemidler

Det klæbrige stof, der hjælper muslinger med at binde sig til undervandsoverflader, er lavet af flere proteiner kendt som muslingefodsproteiner. "Mange undervandsorganismer skal kunne holde sig til ting, så de laver alle mulige forskellige typer lim, som du måske kan låne af, " siger Lu.

Forskere har tidligere konstrueret E. coli-bakterier til at producere individuelle muslingefodsproteiner, men disse materialer fanger ikke kompleksiteten af ​​de naturlige klæbemidler, siger Lu. I den nye undersøgelse, MIT-holdet ønskede at konstruere bakterier til at producere to forskellige fodproteiner, kombineret med bakterieproteiner kaldet curli-fibre - fibrøse proteiner, der kan klumpe sig sammen og samle sig i meget større og mere komplekse masker.

Lus team konstruerede bakterier, så de ville producere proteiner bestående af curli-fibre bundet til enten muslingefodsprotein 3 eller muslingefodsprotein 5. Efter at have renset disse proteiner fra bakterierne, forskerne lod dem inkubere og danne tætte, fibrøse masker. Det resulterende materiale har en regelmæssig, men fleksibel struktur, der binder stærkt til både tørre og våde overflader.

Forskerne testede klæbestofferne ved hjælp af atomkraftmikroskopi, en teknik, der sonderer overfladen af ​​en prøve med en lille spids. De fandt ud af, at klæbemidlerne bandt stærkt til spidser lavet af tre forskellige materialer - silica, guld, og polystyren. Klæbemidler samlet af lige store mængder muslingefodsprotein 3 og muslingefodsprotein 5 dannede stærkere klæbemidler end dem med et andet forhold, eller kun et af de to proteiner alene.

Disse klæbemidler var også stærkere end naturligt forekommende muslingeklæbemidler, og de er de stærkeste biologisk inspirerede, proteinbaserede undervandsklæbemidler rapporteret til dato, siger forskerne.

Mere klæbestyrke

Ved at bruge denne teknik, forskerne kan kun producere små mængder af klæbemidlet, så de forsøger nu at forbedre processen og generere større mængder. De planlægger også at eksperimentere med at tilføje nogle af de andre muslingefodsproteiner. "Vi forsøger at finde ud af, om ved at tilføje andre muslingefodsproteiner, vi kan øge klæbestyrken endnu mere og forbedre materialets robusthed, " siger Lu.

Holdet planlægger også at forsøge at skabe "levende lim" bestående af film af bakterier, der kunne mærke skader på en overflade og derefter reparere den ved at udskille et klæbemiddel.