Ученые из США разработали прорывную технологию, которая со временем позволит производить самовосстанавливающиеся материалы на основе синтеза живых и неживых компонентов. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature Materials 23 марта.
Миллиарды лет эволюции привели к появлению сложных механизмов самоорганизации клеток. Такой, на первый взгляд, простой предмет, как человеческая кость, состоит из нескольких различных типов клеток и неорганических веществ, выстроенных строго определенным образом. Инженеры из Массачусетского технологического института Аллен Чен, Чжентао Дэн, Аманда Биллингс, Урарту Секер, Биджан Закери, Мишель Лу, Роберт Ситорик и Тимоти Лу рассудили, что если научиться задавать клеточным структурам собственную программу развития и инкорпорировать в процесс необходимые под конкретные нужды синтетические объекты, станет возможным выращивать принципиально новые материалы — причем живые и реагирующие на окружающую среду.
Они взяли за основу обычную для микробиологических лабораторий культуру — кишечную палочку (Escherichia coli). Ее особенность — естественная способность образовывать биопленки, содержащие карлиновые волокна — амилоидные протеины, которые позволяют бактерии крепиться к сторонним поверхностям.
Карлиновые волокна состоят из цепочек повторяющейся белковой субъединицы CsgA. К протеинам CsgA можно добавлять пептиды, которые, в свою очередь, могут захватывать неорганические объекты. В рамках эксперимента ученые крепили к клеткам наночастицы золота и квантовые точки.
Последние покрывали специальным протеином SpyCatcher, который связывался с пептидной меткой SpyTag.
Программируя клетки на производство различных типов карлиновых волокон при разных внешних условиях, ученые смогли управлять свойствами вырастающей в результате биопленки и выстраивать электрические схемы. Им также удалось создать варианты клеток, которые «общаются» между собой и со временем меняют структуру биопленки.
Чтобы добиться такого эффекта, инженеры удалили участок ДНК кишечной палочки, отвечающий за естественное производство протеина CsgA, и заменили его генетически модифицированным вариантом, который вырабатывает эту белковую субъединицу только в присутствии специальных сигнальных молекул (ацилированных лактонов гомосерина, AHL). Это позволило им включать и выключать формирование карлиновых волокон, а, следовательно, и самой биопленки.
Затем ученые модифицировали механизм производства CsgA еще раз — после этого, если в среду помимо AHL добавляли еще и сигнальные молекулы aTc, белок вырабатывался сразу с пептидной меткой, в роли которой выступал гистидин. Варьируя уровни AHL и aTc в среде, исследователи смогли точно контролировать, когда колония кишечной палочки формирует биопленку и когда захватывает наночастицы золота.
Впоследствии они создали третий вариант E. coli, который вырабатывал помимо CsgA без пептидной метки еще и молекулы AHL. Последние, в свою очередь, давали другим клеткам сигнал вырабатывать CsgA уже с меткой. Сочетая этот и два предыдущих механизма, ученые получили возможность полностью программировать развитие «начиненной» проводником биопленки. Таким образом, электрическая схема на каркасе из биологического материала вырастала сама.
По мнению авторов исследования, в будущем их разработка найдет широчайшее применение, в том числе в производстве аккумуляторов, солнечных батарей и системдиагностики. Биоэлектронные пленки могут использоваться в качестве каркаса при конструировании живых тканей и для переработки органических отходов в биотопливо — ученые планируют добавить в конструкцию ферменты, ускоряющие распад целлюлозы. Наконец, в перспективе эта технология должна позволить разрабатывать самовосстанавливающиеся материалы.
24 марта 2014, 17:05
Артем Асташенков
Подробнееhttp://rusplt.ru/world/samyiy-malenkiy-kiborg-8853.html
Комментарии