Bakterien wachsen könnte futuristische "Self-Healing" Materialien

Warum Materialien herzustellen, wenn Sie organisch wachsen können?

Forscher haben "living" Materialien hergestellt, durch Bakterien um biologische Filme wachsen stieß. Wiederum, dieser Prozess könnte die Entwicklung komplexer, interaktiver Strukturen so programmiert, dass in bestimmten Mustern, wie z. B. auf Solarzellen und diagnostische Sensoren selbst zusammensetzen und sogar selbstheilende Materialien, die Schaden zu spüren und zu reparieren könnte, eine neue Studie findet.

"Im Gegensatz zu den verwendeten Materialien im modernen Leben, die alle tot sind, lebendem Material haben die Fähigkeit zu heilen, Anpassung an die Umwelt, in komplexe Muster und Formen bilden und generieren neue funktionelle Materialien und Geräte von unten nach oben,", sagte Studienautor Blei Timothy Lu, eine biologische Ingenieur am Massachusetts Institute of Technology.

Solche "lebenden Materialien" sind im Wesentlichen die Hybriden, die das Beste aus beiden Welten: die Vorteile von lebenden Zellen, die organisieren und auf ihre eigenen wachsen, und unbelebten Materialien, die Funktionen wie Strom Wärmeleitung oder Lichtemission hinzuzufügen. [Biomimetik: 7 clevere Technologien von der Natur inspiriert]

Andere Forscher haben beispielsweise die Möglichkeit der Organisation von Viren zu neuen Materialien angesehen. Aber Lu sagte, dass sein Team Ansatz unterscheidet. "Frühere Systemen nicht die Merkmale von Lebewesen nutzen zu tun," sagte er Leben Wissenschaft. "Auch, sind modernste Materialien Syntheseverfahren energieintensiven, Human-Intensive Bemühungen." "Aber wir sind darauf hindeutet, um Biologie zu verwenden, um Materialien von unten nach oben auf eine umweltfreundliche Art und Weise zu wachsen."

Lernen aus Knochen

Um die Materialien zu erstellen, fand Lu Team seine Inspiration aus natürlichen Materialien, wie Knochen und Zähne, die eine Mischung aus Mineralien und lebenden Zellen enthalten. Knochen wachsen, wenn Zellen sich in bestimmten Mustern ordnen und dann spezielle Proteine scheiden um die Calcium-Phosphat-Strukturen zu erzeugen.

Lu Team hat versucht, das gleiche zu tun, durch Umprogrammierung Escherichia coliBakterienzellen mit Gentechnik, um die Proteine zu produzieren.

E. Colinatürlich Biofilme, die enthalten eine spezielle Art von Protein namens Curli-Fasern, die helfen, der Bakterien auf Oberflächen befestigen und sind bekannt für die Festigkeit von Stahl zu produzieren. Jede Curli Faser besteht aus einer Kette von identischen Protein Einheiten, so genannte CsgA, die geändert werden kann, indem man Proteinfragmente Peptide genannt. Diese Peptide können unbelebten Materialien, wie gold-Nanopartikeln, zu erfassen und integrieren sie in den Biofilmen.

Die Forscher wollten die Bakterien absondern, die Protein-Matrix in Reaktion auf spezifische Stimulanzien zu bekommen.

Dazu die Forscher deaktiviert die Bakterienzellen natürliche Fähigkeit zu produzieren CsgA und ersetzte sie durch ein veränderter genetischen Code, der CsgA Proteine nur unter bestimmten Bedingungen produziert, wenn ein Molekül namens AHL ist vorhanden.

Die Wissenschaftler könnte dann die Höhe der AHL in die Zellen Umgebung anzupassen, und beim AHL anwesend war, die Zellen produziert CsgA, wodurch Curli Fasern, die in einem Biofilm zusammengeführt.

Das Team dann geändert E. Coli in einer anderen Weise zu machen, CsgA mit einem spezifischen Peptid mit vielen Aminosäuren Histidin, produzieren, aber nur, wenn ein Molekül namens aTc anwesend war.

"Das erlaubt uns, die Materialien zu steuern, die von den Bakterien, die über externe Signale vorgenommen wurden", sagte Lu. Nur durch erhöhen oder verringern die Menge der AHL und aTc in der veränderten E. ColiUmgebung, waren sie in der Lage, die Produktion und Zusammensetzung des daraus resultierenden Biofilme zu ändern.

Das Team verändert dann die Proteine um anorganische Materialien, wie gold Nanoparticlesand Quantenpunkte, auf die Biofilme wachsen zu machen. Auf diese Weise entwickelt, die Forscher selbst wachsenden E. Coli Biofilme, die Strom leiten oder Fluoreszenz emittieren.

"Talking" Zellen

Die Forscher geändert auch E. Coli Zellen könnte "" miteinander reden und die Bildung von Materialien, deren Eigenschaften im Laufe der Zeit ändern, ohne menschliches Zutun, zu koordinieren. "Letztendlich hoffen wir, wie natürliche Systeme, wie Knochen, Form zu emulieren. Niemand sagt, Knochen, was zu tun ist, aber es erzeugt ein Material in Reaktion auf Umweltsignale", sagte Lu. [Knochen Grundlagen: 11 überraschende Fakten über das Skelettsystem]

"Man kann vorstellen, wachsende Materialien mit Hilfe der Sonne eher als müssend sehr energieintensive Prozesse für Top-Down Materialsynthese haben", fügte er hinzu.

Lu sieht auch lebende zellulären Sensoren, die ihre Eigenschaften zu ändern, wenn sie bestimmte Umweltsignale wie Giftstoffe zu erkennen.

Schließlich konnte durch die Beschichtung der Biofilme mit Enzymen, die den Abbau von Cellulose katalysieren, diese Arbeit zu Materialien führen, die Biokraftstoffe landwirtschaftlichen Abfälle umzuwandeln.

Die Forschung beschränkt sich nicht auf E. Coli. "Wir erwägen den Einsatz von photosynthetischen Organismen und Pilze als andere Plattformen Fertigung", sagte Lu. "Darüber hinaus haben wir nur die Schnittstelle von Biologie mit Gold und Halbleiter-Nanokristallen gezeigt, aber es gibt viele andere Materialien, die angebunden werden können."

Ahmad Khalil, ein biomedizinischen Ingenieur an der Boston University, der nicht an der Studie beteiligt war, applaudierten die Arbeit.

"Diese Arbeit präsentiert, meines Wissens, einer der ersten Demonstrationen der Verwendung synthetischer Biologie Ansätze rewire oder Ingenieur diese zellulären Mechanismen um präzise steuern, wie anorganische Materialien montiert oder auf einer molekularen Bio-Vorlage synthetisiert, wodurch eine Allee für genetisch Werkstofftechnik codiert," sagte Khalil Leben Wissenschaft.

Die Studie wurde in der 23. März-Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials beschrieben.

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