Inspiriert von natürlichen Materialien wie Knochen - eine Matrix von Mineralien und anderen Stoffen , einschließlich lebender Zellen - MIT -Ingenieure haben Bakterienzellen überredet , Biofilme , die nicht lebende Materialien, wie Gold-Nanopartikeln und Quantenpunkte integrieren können produzieren .
Diese "lebende Materialien " vereinen die Vorteile von lebenden Zellen , die auf ihre Umwelt zu reagieren , erzeugen komplexe biologische Moleküle und über mehrere Längenskalen , mit den Vorteilen der unbelebten Materialien, die Funktionen wie die Durchführung von Strom oder Licht emittieren hinzuzufügen.
Die neuen Materialien stellen eine einfache Demonstration der Kraft dieses Ansatzes , der eines Tages verwendet werden, um komplexere Geräte wie Solarzellen , selbstheilende Materialien oder diagnostische Sensoren entwerfen , sagt Timothy Lu, ein Assistent Professor für Elektrotechnik und Bio-Engineering . Lu ist der leitende Autor eines Papier beschreibt die Lebensfunktionsmaterialienin Nature Materials .
"Unsere Idee ist es, das Leben und die unbelebten Welt zusammen, um Hybridmaterialien , die lebende Zellen in sich haben und sind funktionsfähig zu machen ", sagt Lu . " Es ist eine interessante Art des Denkens über Materialsynthese , die sehr verschieden von dem, was Menschen tun, nun , in der Regel ist ein Top-Down- Ansatz . "
Blei-Autor des Papiers ist Allen Chen, ein MIT- Harvard MD - Doktorand . Andere Autoren sind Postdocs Zhengtao Deng , Amanda Billings, Urartu Seker und Bijan Zakeri ; letzten MIT-Absolvent Michelle Lu ; und Doktorand Robert Citorik .
Selbstorganisierende Werkstoffe
Lu und seine Kollegen beschlossen, mit dem Bakterium arbeiten E. coli weil es natürlich produziert Biofilmen , die enthalten so genannte " curli Fasern " - Amyloid- Proteine, die E. coli zu befestigen , um Oberflächen zu helfen. Jede curli Faser aus einer Wiederholungsketteidentische Proteinuntereinheitengenannt CsgA , die durch Zugabe von Protein-Fragmente genannt Peptide modifiziert werden können, hergestellt . Diese Peptide können erfassen nichtlebende Materialien wie Gold-Nanopartikel , die Einbindung in den Biofilmen .
Durch Programmierung Zellen auf verschiedene Arten von curli Fasern unter bestimmten Bedingungen zu produzieren , konnten die Forscher in der Lage, die Biofilme " Eigenschaften steuern und schaffen Gold -Nanodrähte , die Durchführung von Biofilmen und Filme mit Quantenpunkten oder winzigen Kristallen , die quantenmechanische Eigenschaften aufweisen besetzt. Sie entwickelt auch die Zellen , so dass sie miteinander kommunizieren und ändern Sie die Zusammensetzung des Biofilms im Laufe der Zeit könnte .
Erstens ist die MIT-Team deaktiviert die Bakterienzellen " natürliche Fähigkeit, CsgA produzieren , dann ersetzt sie mit einer technisch genetischen Schaltkreis, der CsgA produziert , aber nur unter bestimmten Bedingungen - speziell , wenn ein Molekül namens AHL vorhanden ist. Damit liegt die Kontrolle über curli Faserproduktion in den Händen der Forscher, die die Menge der AHL in die Umgebung der Zellen anpassen können . Wenn AHL vorhanden ist , werden die Zellen sezernieren CsgA , die curli Fasern , die in einem Biofilm zusammenwachsen , das Beschichten der Oberfläche , wo die Bakterien wachsen bildet .
Die Forscher dann entwickelt E. coli-Zellen zu produzieren CsgA getaggt mit Peptiden von Clustern aus der Aminosäure Histidin zusammensetzt , aber nur , wenn ein Molekül namens ATC vorhanden ist. Die zwei Typen von veränderten Zellen können in einer Kolonie zusammenwachsen werden , so dass die Forscher die Materialzusammensetzung des Biofilms durch Variieren der Mengen von AHL und ATC in der Umgebung zu steuern . Wenn beide vorhanden sind , wird der Film eine Mischung von markierten und unmarkierten Fasern enthalten. Wenn Gold-Nanopartikel in die Umwelt hinzugefügt werden die Histidin -Tags auf sie zu packen , wodurch Reihen von Goldnanodrähte und ein Netzwerk, das Elektrizität leitet .
" Zellen, die miteinander sprechen "
Die Forscher zeigen auch , dass die Zellen miteinander zu koordinieren , um die Zusammensetzung des Biofilms zu steuern. Sie entwarfen Zellen, die ohne Tag CsgA und AHL , der dann regt andere Zellen zu produzieren Histidin -markierten CsgA produzieren .
" Es ist ein wirklich einfaches System , aber was passiert, im Laufe der Zeit ist Sie curli , die zunehmend von Goldpartikeln ist beschriftet zu erhalten. Es zeigt, dass in der Tat kann man Zellen, die miteinander reden zu machen und sie können die Zusammensetzung des Materials im Laufe der Zeit ändern, " Lu sagt, . "Letztendlich hoffen wir, zu emulieren , wie natürliche Systeme , wie Knochen , Form . Niemand sagt Knochen , was zu tun , aber es ist ein Material erzeugt als Reaktion auf Signale aus der Umwelt . "
Um Quantenpunkte zu den curli Fasern hinzuzufügen , entwickelt die Forscher Zellen, die curli Fasern zusammen mit einem anderen Peptid-Tag , genannt SpyTag , die Quantenpunkte , die mit SpyCatcher , ein Protein, das SpyTag Partner ist beschichtet sind bindet produzieren . Diese Zellen können zusammen mit den Bakterien, die Histidin - tagged Fasern , was ein Material ergibt , das sowohl Quantenpunkte und Goldnanopartikel enthält erzeugen gezüchtet werden.
Diese Hybridmaterialien könnten einen Besuch wert für den Einsatz in Energieanwendungen wie Batterien und Solarzellen , sagt Lu . Die Forscher interessieren sich auch für die Beschichtung der Biofilme mit Enzymen, die den Abbau von Zellulose, die für die Umwandlung von landwirtschaftlichen Abfällen zu Biokraftstoffen könnte zu katalysieren. Weitere Anwendungspotenziale Diagnosegeräte und Scaffolds für das Tissue Engineering .
Die Forschung wurde von der Office of Naval Research , der Army Research Office , die National Science Foundation , der Hertz -Stiftung, dem Department of Defense, der National Institutes of Health und der Presidential Early Career Award für Wissenschaftler und Ingenieure gefördert.