Kolejny raz natura staje się inspiracją dla naukowców. Tym razem źródłem natchnienia były kości, zbudowane z żywych komórek – osteoblastów oraz minerałów. Badacze z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Stanach Zjednoczonych wykorzystali bakterie E.coli do produkcji cienkiej warstwy, w której umieścili materię nieożywioną – nanocząsteczki złota i kropki kwantowe. Powstały hybrydowy, “żyjący” materiał łączył w sobie zalety obu środowisk – komórki reagowały na oddziaływanie otoczenia, a nanoobiekty odpowiadały za emisję światła oraz przewodnictwo elektryczne.
Wiele naturalnych, biologicznych systemów, takich jak biofilmy, muszle czy zespoły tkankowo-szkieletowe są w stanie wiązać w sobie żywe komórki oraz materię nieorganiczną. To one rozbudzają wyobraźnię inżynierów, którzy wyraźnie nimi zainspirowani produkują następnie syntetyczne, kompozytowe materiały. Stanowią one demonstrację potęgi jak drzemie w środowisku naturalnym. Jak twierdzą naukowcy, w przyszłości mogą wykorzystać je do projektowania bardziej skomplikowanych urządzeń. W planach są m.in. hybrydowe ogniwa słoneczne, samoregenerujące się materiały lub czujniki diagnostyczne. Artykuł dotyczący syntezy i modyfikacji funkcjonalnych, “żyjących” materiałów został opublikowany 23 marca 2014 roku w internetowym wydaniu czasopisma Nature Materials.
Naukowcy zdecydowali się pracować z bakterią E. coli (z łac. Escherichia coli), czyli pałeczką okrężnicy. Bakteria ta wchodzi w skład flory bakteryjnej jelita grubego człowieka oraz zwierząt stałocieplnych. W jelicie spełnia pożyteczną rolę, uczestnicząc w rozkładzie pokarmu, a także przyczyniając się do produkcji witamin z grupy B i K. Niestety, w określonych warunkach wykazuje chorobotwórczość i może powodować schorzenia innych układów, głównie pokarmowego i moczowego. E. coli należy do organizmów modelowych wśród bakterii. Dzięki dobrze poznanej budowie, genetyce i taniej hodowli znalazła szczególne zastosowanie w modyfikacjach genetycznych oraz celach przemysłowych. Badacze wybrali ją, ponieważ komórki szczepu posiadają fimbrie spiralne, które uczestniczą w formowaniu biofilmu. Włókna białkowe o średnicy do kilkunastu nanometrów i długości kilku mikrometrów są rozsiane po całej powierzchni komórki. Uważa się, że ułatwiają one przyłączanie bakterii do innych powierzchni i są jednym z ważniejszych czynników adhezji pałeczek E.coli.
Każde z takich białek składa się z powtarzających się podjednostek CsgA, które można modyfikować poprzez dodanie innych fragmentów białkowych – peptydów. Te z kolei mają zdolność wiązania nieorganicznych elementów. Wpływając na warunki rozmnażania szczepu, inżynierowie mogli kontrolować powstawanie różnych rodzajów fimbrii i zmieniać jednocześnie właściwości biofilmu. Zespół z MIT wyłączył naturalną zdolność komórek bakteryjnych do produkcji włókien CsgA. Zamiast tego uruchomiono genetycznie zmodyfikowanymi obwody, które wytwarzały CsgA, ale tylko pod warunkiem obecności cząsteczek sygnałowych o nazwie AHL. Dzięki monitorowaniu poziomu AHL w środowisku życia komórek, badacze nadzorowali wydzielanie CsgA.
Drugi szczep bakterii E.coli produkował fimbrie spiralne zakończone peptydami złożonymi z bloków histydynowych. Te powstawały tylko w obecności molekuł aTc. Oba typy E.coli hodowano w ramach jednej kolonii, a całość składu biofilmu kontrolowano manipulując poziomami AHL i aTc. Obecność włókien oznaczonych peptydami umożliwiała doczepianie nanocząsteczek złota (z ang. gold nanoparticles, AuNPs) składanych następnie w sieć nanodrutów przewodzących prąd. Dodatek fluorescencyjnych kropek kwantowych (z ang. quantum dots, QD) ZnS, CdTe/CdS był przyjmowany tylko w przypadku peptydu o nazwie “SpyTag”.
Naukowcy wykazali również, że komórki mogą wzajemnie koordynować wzrost oraz kompozycję biofilmu. Przekształcone bakterie produkujące CsgA, mogły stymulować produkcję komórek z blokami histydynowymi. Obecnie badacze skupiają się na wykorzystaniu “żyjącego” materiału hybrydowego w produkcji baterii i ogniw słonecznych. Są zainteresowani także powlekaniem biofilmu za pomocą enzymów odpowiedzialnych za rozkład celulozy, co może być przydatne w transformacji odpadów rolniczych na biopaliwa.
Źródło:
[1] Allen Y. Chen, Zhengtao Deng, Amanda N. Billings, Urartu O. S. Seker, Michelle Y. Lu, Robert J. Citorik, Bijan Zakeri, Timothy K. Lu. Synthesis and patterning of tunable multiscale materials with engineered cells. Nature Materials, 2014; DOI: 10.1038/nmat3912
[2] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3912.html [04.04.2014]
[3] http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/extref/nmat3912-s1.pdf [04.04.2014]
[4] http://www.readcube.com/articles/10.1038/nmat3912 [04.04.2014]
[5] http://newsoffice.mit.edu/2014/engineers-design-living-materials [04.04.2014]
[6] E.coli ML30. by shawnleishman, flickr.com, CC BY-SA 2.0