По мере того, как бактериальная колония превращается в полушарие, генная цепь запускает производство определенного типа белка, который распределяется в колонии и может привлекать неорганические материалы. Когда исследователи снабжаются наночастицами золота, система образует золотую оболочку вокруг бактериальной колонии, размер и форму которой можно контролировать, изменяя среду роста.
В результате получается устройство, которое можно использовать в качестве датчика давления, доказывая, что процесс может создавать рабочие устройства.
В то время как в других экспериментах успешно выращивались материалы с использованием бактериальных процессов, они полностью полагались на внешний контроль места роста бактерий и были ограничены двумя измерениями. В новом исследовании исследователи из Duke демонстрируют создание композитной структуры путем программирования самих клеток и контроля их доступа к питательным веществам, но при этом оставляя бактерии свободными для роста в трех измерениях.
Исследование появится в Интернете 9 октября в журнале Nature Biotechnology.
«Эта технология позволяет нам вырастить функциональное устройство из одной клетки», — сказал Лингчонг Ю, доцент инженерных наук Пола Раффина Скарборо в Duke. "По сути, это ничем не отличается от программирования ячейки для выращивания целого дерева."
Природа полна примеров того, как жизнь сочетает органические и неорганические соединения для создания лучших материалов. Раковины моллюсков состоят из карбоната кальция, переплетенного с небольшим количеством органических компонентов, что приводит к получению микроструктуры в три раза более жесткой, чем у одного карбоната кальция. Наши собственные кости представляют собой смесь органического коллагена и неорганических минералов, состоящих из различных солей.
Использование таких конструктивных способностей в бактериях будет иметь много преимуществ по сравнению с текущими производственными процессами.
В природе биологическое производство очень эффективно использует сырье и энергию. В этой синтетической системе, например, настройка инструкций по выращиванию для создания различных форм и узоров теоретически может быть намного дешевле и быстрее, чем отливка новых штампов или форм, необходимых для традиционного производства.
«Природа — мастер изготовления структурированных материалов, состоящих из живых и неживых компонентов», — сказал Ю. "Но чрезвычайно сложно запрограммировать природу на создание самоорганизующихся узоров.
Эта работа, однако, является доказательством принципа, что это не невозможно."
Генетическая схема подобна биологическому пакету инструкций, который исследователи встраивают в ДНК бактерии. Указания сначала говорят бактериям производить белок, называемый РНК-полимеразой Т7 (T7RNAP), который затем активирует свою собственную экспрессию в петле положительной обратной связи. Он также производит небольшую молекулу под названием AHL, которая может диффундировать в окружающую среду как посланник.
По мере того, как клетки размножаются и растут наружу, концентрация небольшой молекулы-мессенджера достигает критического порога концентрации, вызывая выработку еще двух белков, называемых лизоцимом Т7 и curli. Первый подавляет выработку T7RNAP, а второй действует как своего рода биологическая липучка, которая может прикрепляться к неорганическим соединениям.
Динамическое взаимодействие этих петель обратной связи заставляет бактериальную колонию расти в форме купола, пока у нее не закончится еда. Это также заставляет бактерии на внешней стороне купола производить биологическую липучку, которая захватывает наночастицы золота, предоставленные исследователями, образуя оболочку размером с вашу среднюю веснушку.
Исследователи смогли изменить размер и форму купола, контролируя свойства пористой мембраны, на которой он растет. Например, изменение размера пор или того, насколько мембрана отталкивает воду, влияет на количество питательных веществ, поступающих в клетки, изменяя характер их роста.
«Мы демонстрируем один способ изготовления трехмерной структуры, полностью основанный на принципе самоорганизации», — сказал Стефан Заушер, профессор машиностроения и материаловедения в Duke. "Эта трехмерная структура затем используется в качестве основы для создания устройства с четко определенными физическими свойствами. Этот подход вдохновлен природой, и поскольку природа не делает этого сама по себе, мы манипулировали природой, чтобы сделать это за нас."
Чтобы показать, как их система может быть использована для производства рабочих устройств, исследователи использовали эти гибридные органические / неорганические структуры в качестве датчиков давления.
Идентичные массивы куполов выращивались на двух поверхностях подложки. Затем две подложки были зажаты вместе так, чтобы каждый купол располагался прямо напротив своего аналога на другой подложке.
Затем каждый купол был подключен к светодиодной лампочке через медную проводку. Когда к сэндвичу было приложено давление, купола прижимались друг к другу, вызывая деформацию, приводящую к увеличению его проводимости.
Это, в свою очередь, привело к тому, что соответствующие светодиодные лампы стали ярче на определенную величину, в зависимости от величины приложенного давления.
«В этом эксперименте мы в первую очередь сосредоточены на датчиках давления, но количество направлений, в которых они могут быть приняты, огромно», — сказал Уилл (Янсяолу) Цао, научный сотрудник лаборатории Ю и первый автор статьи. "Мы могли бы использовать биологически чувствительные материалы для создания живых цепей. Или, если бы мы могли сохранить жизнь бактериям, вы могли бы представить себе создание материалов, которые могли бы лечить сами себя и реагировать на изменения окружающей среды."
«Еще один аспект, в котором мы заинтересованы, — это создание гораздо более сложных шаблонов», — сказал Ю. "Бактерии могут создавать сложные схемы ветвления, мы просто не знаем, как заставить их делать это сами — пока."