Чтобы создать свои новые водонепроницаемые клеи, исследователи из Массачусетского технологического института разработали бактерии для производства гибридного материала, который включает в себя естественно липкие белки мидий, а также бактериальный белок, обнаруженный в биопленках — слизистых слоях, образованных бактериями, растущими на поверхности. В сочетании эти белки образуют даже более сильные подводные клеи, чем те, которые выделяют мидии.
Этот проект, описанный в выпуске журнала Nature Nanotechnology от 21 сентября, представляет собой новый тип подхода, который можно использовать для синтеза биологических материалов с несколькими компонентами, используя бактерии как крошечные фабрики.«Конечная цель для нас — создать платформу, на которой мы сможем начать строительство материалов, которые объединяют несколько различных функциональных областей вместе, и посмотреть, дает ли это нам лучшие характеристики материалов», — говорит Тимоти Лу, доцент кафедры биологической инженерии и электротехники. и информатика (EECS) и старший автор статьи.
Ведущий автор статьи — Чао Чжун, бывший постдок Массачусетского технологического института, ныне работающий в Шанхайском технологическом университете. Другими авторами являются аспирант Томас Гарри, аспирант Аллен Ченг, старший Джордан Дауни, постдок Чжэнтао Дэн и Коллин Стульц, профессор EECS.
Комплексные клеиЛипкое вещество, которое помогает мидиям прикрепляться к подводным поверхностям, состоит из нескольких белков, известных как белки стопы мидий. «Многие подводные организмы должны иметь возможность прилипать к вещам, поэтому они производят всевозможные виды клея, которые вы могли бы позаимствовать», — говорит Лу.
По словам Лу, ученые ранее сконструировали бактерии E. coli для производства отдельных белков стопы мидий, но эти материалы не отражают сложность природных клеев. В новом исследовании команда Массачусетского технологического института хотела создать бактерии для производства двух разных белков стоп в сочетании с бактериальными белками, называемыми curli-волокнами — волокнистыми белками, которые могут слипаться и собираться в гораздо более крупные и сложные сетки.
Команда Лу сконструировала бактерии, чтобы они производили белки, состоящие из волокон завитков, связанных либо с белком 3 стопы мидий, либо с белком 5 стопы мидий. После очистки этих белков от бактерий исследователи позволили им инкубироваться и сформировать плотные волокнистые сетки. Полученный материал имеет правильную, но гибкую структуру, которая прочно сцепляется как с сухими, так и с влажными поверхностями.«В результате получается мощный влажный клей с независимо функционирующими адсорбционными и когезионными частями», — говорит Герберт Уэйт, профессор химии и биохимии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, не входивший в исследовательскую группу. «Работа очень творческая, кропотливая и тщательная».
Исследователи протестировали адгезивы с помощью атомно-силовой микроскопии — метода, при котором поверхность образца исследуется крошечным наконечником. Они обнаружили, что клеи прочно прикрепляются к наконечникам из трех разных материалов — кремнезема, золота и полистирола. Адгезивы, собранные из равных количеств белка 3 стопы мидий и белка 5 стопы мидий, образовывали более сильные адгезивы, чем адгезивы с другим соотношением, или только один из двух белков по отдельности.Эти клеи также были прочнее, чем клеи для мидий природного происхождения, и, по словам исследователей, они являются самыми сильными биологически вдохновленными подводными клеями на белковой основе, о которых сообщалось на сегодняшний день.
Повышенная адгезионная прочностьИспользуя эту технику, исследователи могут производить только небольшое количество клея, поэтому теперь они пытаются улучшить процесс и произвести большее количество клея. Они также планируют поэкспериментировать с добавлением некоторых других белков стопы мидий. «Мы пытаемся выяснить, сможем ли мы, добавляя другие белки копытных мидий, еще больше увеличить адгезионную прочность и прочность материала», — говорит Лу.
Команда также планирует попытаться создать «живые клеи», состоящие из пленок бактерий, которые могут ощущать повреждение поверхности, а затем восстанавливать ее, выделяя клей.Исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований, Национальным научным фондом и Национальными институтами здравоохранения.