Бактерии с синтетической генной схемой самоорганизуются для создания работающего устройства с золотыми наночастицами

Исследователи из Университета Дьюка превратили бактерии в строителей полезных устройств, запрограммировав их с помощью синтетической генной схемы.

По мере роста бактериальной колонии в форме полусферы генная схема запускает выработку особого белка, который распределяется внутри колонии и может привлекать неорганические материалы. При добавлении исследователями золотых наночастиц система формирует золотую оболочку вокруг колонии, размер и форму которой можно контролировать, изменяя условия роста.

Результатом стало устройство, которое можно использовать как датчик давления, доказывая, что этот процесс способен создавать рабочие устройства.

В то время как другие эксперименты успешно выращивали материалы с помощью бактериальных процессов, они полностью зависели от внешнего контроля за ростом бактерий и были ограничены двумя измерениями. В новом исследовании ученые из Дьюка продемонстрировали создание композитной структуры, программируя сами клетки и контролируя их доступ к питательным веществам, но оставляя бактериям свободу для роста в трех измерениях.

Исследование опубликовано онлайн 9 октября в журнале Nature Biotechnology.

«Эта технология позволяет нам вырастить функциональное устройство из одной клетки, — сказал Линчон Ю. — В основе это ничем не отличается от программирования клетки на выращивание целого дерева».

Природа полна примеров, когда жизнь сочетает органические и неорганические соединения для создания лучших материалов. Моллюски выращивают раковины из карбоната кальция, переплетенного с небольшим количеством органических компонентов, что дает микроструктуру, в три раза более прочную, чем чистый карбонат кальция. Наши собственные кости представляют собой смесь органического коллагена и неорганических минералов, состоящих из различных солей.

Использование таких строительных способностей у бактерий дало бы много преимуществ по сравнению с современными производственными процессами. В природе биологическое производство очень эффективно использует сырье и энергию. В этой синтетической системе, например, теоретически настройка инструкций по росту для создания различных форм и узоров может быть намного дешевле и быстрее, чем изготовление новых штампов или форм, необходимых для традиционного производства.

«Природа — мастер создания структурированных материалов, состоящих из живых и неживых компонентов, — сказал Ю. — Но запрограммировать природу на создание самоорганизующихся паттернов чрезвычайно сложно. Однако эта работа является доказательством принципа, что это не невозможно».

Генетическая схема похожа на биологический пакет инструкций, который исследователи встраивают в ДНК бактерии. Инструкции сначала предписывают бактерии производить белок T7 RNA polymerase (T7RNAP), который затем активирует собственную экспрессию в петле положительной обратной связи. Он также производит небольшую молекулу AHL, которая может диффундировать в окружающую среду, как посредник.

По мере размножения клеток и их роста наружу концентрация молекулы-посредника достигает критического порога, запуская выработку еще двух белков — T7 лизоцима и курли. Первый ингибирует продукцию T7RNAP, в то время как 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 не закончится пища. Это также заставляет бактерии на внешней стороне купола производить биологическую липучку, которая захватывает золотые наночастицы, предоставленные исследователями, образуя оболочку размером со среднюю веснушку.

Исследователи смогли изменить размер и форму купола, контролируя свойства пористой мембраны, на которой он растет. Например, изменение размера пор или степени отталкивания воды мембраной влияет на количество питательных веществ, поступающих к клеткам, изменяя их характер роста.

«Мы демонстрируем один из способов создания 3D-структуры, полностью основанный на принципе самоорганизации, — сказал Стефан Заушер. — Затем эта 3D-структура используется в качестве каркаса 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 она сделала это за нас».

Чтобы показать, как их систему можно использовать для производства рабочих устройств, исследователи использовали эти гибридные органические/неорганические структуры в качестве датчиков давления. Идентичные массивы куполов были выращены на двух поверхностях подложки. Затем две подложки были соединены вместе так, чтобы каждый купол находился прямо напротив своего аналога на другой подложке.

Каждый купол был подключен к лампочке LED через медную проводку. При приложении давления к «сэндвичу» купола вдавливались друг в друга, вызывая деформацию, которая приводила к увеличению его проводимости. Это, в свою очередь, заставляло соответствующие лампочки LED светиться ярче в зависимости от величины приложенного давления.

«В этом эксперименте мы в основном сосредоточены на датчиках давления, но количество направлений, в которых это можно развивать, огромно, — сказал Уилл (Янсяолу) Цао. — Мы могли бы использовать биологически активные материалы для создания живых схем. Или, если бы мы могли сохранить бактерии живыми, можно представить себе материалы, которые могли бы самовосстанавливаться и реагировать на изменения окружающей среды».

«Другой аспект, который нас интересует, — это создание гораздо более сложных паттернов, — сказал Ю. — Бактерии могут создавать сложные разветвленные узоры, мы просто еще не знаем, как заставить их делать это самим».