science >> Wetenschap >  >> Chemie

Engineering woonsteigers voor bouwmaterialen

Onderzoekers van Berkeley Lab hebben een reeks bacteriën gebouwd die een verscheidenheid aan harde of zachte materialen zoals biopolymeren of halfgeleidende nanodeeltjes onomkeerbaar aan het celoppervlak kunnen hechten zonder de cellen te beschadigen. Krediet:Berkeley Lab

Wanneer de binnenkant van een schelp van een weekdier glinstert in het zonlicht, de irisatie wordt niet geproduceerd door gekleurde pigmenten, maar door kleine fysieke structuren die zelf zijn samengesteld uit levende cellen en anorganische componenten. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft een platform ontwikkeld om dit zelfassemblagevermogen na te bootsen door levende cellen te ontwerpen om als uitgangspunt te dienen voor het bouwen van composietmaterialen.

Engineered Living Materials (ELM's) gebruiken levende cellen als "materiaalsteigers" en vormen een nieuwe materiaalklasse die de deur zou kunnen openen naar zelfherstellende materialen en andere geavanceerde toepassingen in de bio-elektronica, biodetectie, en slimme materialen. Dergelijke materialen kunnen opkomende eigenschappen nabootsen die in de natuur worden aangetroffen - waar een complex systeem eigenschappen heeft die de afzonderlijke componenten niet hebben - zoals irisatie of sterkte.

Lenen van deze complexiteit gezien in de natuur, de onderzoekers van Berkeley Lab hebben een bacterie ontwikkeld die een breed scala aan nanomaterialen aan zijn celoppervlak kan hechten. Ze kunnen ook nauwkeurig de make-up regelen en hoe dicht de componenten zijn verpakt, het creëren van een stabiel hybride levend materiaal. De studie die hun werk beschrijft, is onlangs gepubliceerd in ACS synthetische biologie .

"Aangezien hiërarchische ordening ten grondslag ligt aan de eigenschappen van veel biocomposietmaterialen, het kunnen regelen van de afstand tussen verschillende componenten in meerdere dimensies is de sleutel tot het ontwerpen van voorspelbare ELM's, " zei Caroline Ajo-Franklin, een stafwetenschapper van de Molecular Foundry van Berkeley Lab die de studie leidde. "Ons nieuwe platform biedt een veelzijdig startpunt dat een breed scala aan nieuwe mogelijkheden opent voor het bouwen van ELM's."

Wanneer nanomaterialen worden gehecht aan de oppervlaktelaageiwitten van Caulobacter crescentus, de bacterie wordt omgevormd tot een platform voor het maken van zelfassemblerende biomaterialen. Krediet:ACS Synthetische Biologie/Ella Maru Studio

Zowel natuurlijke structuren als de ELM's die ze inspireren, bestaan ​​uit hiërarchische patronen van materialen. Dit betekent dat voor een materiaal gemaakt van bouwstenen van regelmatige grootte, elk groot blok is gemaakt van kleinere blokken, en elk van de kleinere blokken is gemaakt van nog kleinere stukjes. Bijvoorbeeld, weekdieren bouwen hun schelpen uit superdunne "bloedplaatjes" van slechts 500 nanometer dik, en elk bloedplaatje is gemaakt van miljoenen minuscule nanokorrels met een diameter van slechts 30 nanometer.

Om de zelfassemblage van dit soort structuren op het oppervlak van levende cellen te beheersen, Ajo-Franklin en haar team maakten gebruik van oppervlaktelaag (S-Layer) eiwitten om geordende, bladachtige structuren op het oppervlak van veel microben. "Het is het verschil tussen het bouwen van een fundament uit een stevige plaat die zich aan het celoppervlak aanpast, versus een ongeordende reeks snaren, " zei Ajo-Franklin, die ook een gezamenlijke aanstelling heeft in de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division van Berkeley Lab in de Biosciences Area.

De onderzoekers kozen voor de bacterie Caulobacter crescentus omdat deze kan overleven in omstandigheden met weinig voedingsstoffen en weinig zuurstof, en zijn S-Layer-eiwit, RsaA, omdat het zeer goed bestudeerd is. Het team ontwikkelde RsaA met een biologisch "slot en sleutel" -systeem om precies te bepalen waar en hoe dicht materialen zich hechten aan het celoppervlak.

"We hebben een reeks bacteriën gebouwd die onomkeerbaar een verscheidenheid aan harde of zachte materialen zoals biopolymeren of halfgeleidende nanodeeltjes aan het celoppervlak kunnen hechten zonder de cellen te beschadigen, " zei Marimikel Charrier, wetenschappelijk technisch medewerker en hoofdauteur van de studie. "Dit levende bouwpakket is een fundamentele eerste stap naar het creëren van zelf-assemblerende, zelfgenezend, hybride biomaterialen."