Onderzoekers van Duke University hebben bacteriën tot bouwers van bruikbare apparaten gemaakt door ze te programmeren met een synthetisch genencircuit.

Als een bacteriekolonie uitgroeit tot een halve bol, het gencircuit activeert de productie van een type eiwit dat zich binnen de kolonie moet verspreiden en dat anorganische materialen kan rekruteren. Wanneer ze door onderzoekers worden geleverd met gouden nanodeeltjes, het systeem vormt een gouden schil rond de bacteriekolonie, waarvan de grootte en vorm kunnen worden gecontroleerd door de groeiomgeving te veranderen.

Het resultaat is een apparaat dat kan worden gebruikt als druksensor, bewijzen dat het proces werkende apparaten kan creëren.

Terwijl andere experimenten met succes materialen hebben gekweekt met behulp van bacteriële processen, ze vertrouwden volledig op externe controle waar de bacteriën groeien en zijn beperkt tot twee dimensies. In de nieuwe studie onderzoekers van Duke demonstreren de productie van een composietstructuur door de cellen zelf te programmeren en hun toegang tot voedingsstoffen te controleren, maar laat de bacteriën nog steeds vrij om in drie dimensies te groeien.

Het onderzoek verschijnt op 9 oktober online in Natuur Biotechnologie .

"Deze technologie stelt ons in staat om een ​​functioneel apparaat te laten groeien vanuit een enkele cel, " zei Lingchong You, de Paul Ruffin Scarborough Associate Professor of Engineering aan Duke. "Fundamenteel, het is niet anders dan het programmeren van een cel om een ​​hele boom te laten groeien."

De natuur zit vol met voorbeelden van leven waarin organische en anorganische verbindingen worden gecombineerd om betere materialen te maken. Weekdieren groeien schelpen bestaande uit calciumcarbonaat verweven met een kleine hoeveelheid organische componenten, wat resulteert in een microstructuur die drie keer sterker is dan alleen calciumcarbonaat. Onze eigen botten zijn een mix van organisch collageen en anorganische mineralen bestaande uit verschillende zouten.

Het benutten van dergelijke constructiemogelijkheden in bacteriën zou veel voordelen hebben ten opzichte van de huidige productieprocessen. In de natuur, biologische fabricage gaat zeer efficiënt om met grondstoffen en energie. In dit synthetische systeem, bijvoorbeeld, het aanpassen van groei-instructies om verschillende vormen en patronen te creëren zou in theorie veel goedkoper en sneller kunnen zijn dan het gieten van de nieuwe matrijzen of mallen die nodig zijn voor traditionele productie.

"De natuur is een meester in het vervaardigen van gestructureerde materialen bestaande uit levende en niet-levende componenten, " zei Jij. "Maar het is buitengewoon moeilijk om de natuur te programmeren om zelfgeorganiseerde patronen te creëren. Dit werk, echter, is een proof-of-principle dat het niet onmogelijk is."

Het genetische circuit is als een biologisch pakket instructies dat onderzoekers inbedden in het DNA van een bacterie. De aanwijzingen vertellen de bacteriën eerst dat ze een eiwit moeten produceren dat T7 RNA-polymerase (T7RNAP) wordt genoemd, die vervolgens zijn eigen expressie activeert in een positieve feedbacklus. Het produceert ook een klein molecuul genaamd AHL dat als een boodschapper in de omgeving kan diffunderen.

Terwijl de cellen zich vermenigvuldigen en naar buiten groeien, de concentratie van het kleine boodschappermolecuul bereikt een kritische concentratiedrempel, het triggeren van de productie van nog twee eiwitten, T7-lysozyme en curli genaamd. De eerste remt de productie van T7RNAP, terwijl de laatste fungeert als een soort biologisch klittenband dat zich aan anorganische verbindingen kan hechten.

De dynamische interactie van deze feedbackloops zorgt ervoor dat de bacteriekolonie in een koepelvormig patroon groeit totdat het geen voedsel meer heeft. Het zorgt er ook voor dat de bacteriën aan de buitenkant van de koepel het biologische klittenband produceren, die zich vastgrijpt aan gouden nanodeeltjes geleverd door de onderzoekers, het vormen van een schaal ongeveer zo groot als je gemiddelde sproet.

De onderzoekers waren in staat om de grootte en vorm van de koepel te veranderen door de eigenschappen van het poreuze membraan waarop het groeit te regelen. Bijvoorbeeld, het veranderen van de grootte van de poriën of de mate waarin het membraan water afstoot, beïnvloedt hoeveel voedingsstoffen aan de cellen worden doorgegeven, hun groeipatroon veranderen.

"We demonstreren een manier om een ​​3D-structuur te fabriceren die volledig is gebaseerd op het principe van zelforganisatie, " zei Stefan Zauscher, de Sternberg Family Professor of Mechanical Engineering &Materials Science aan Duke. "Die 3D-structuur wordt vervolgens gebruikt als een steiger om een ​​apparaat te genereren met goed gedefinieerde fysieke eigenschappen. Deze benadering is geïnspireerd door de natuur, en omdat de natuur dit niet alleen doet, we hebben de natuur gemanipuleerd om het voor ons te doen."

Om te laten zien hoe hun systeem kan worden gebruikt om werkende apparaten te vervaardigen, de onderzoekers gebruikten deze hybride organische/anorganische structuren als druksensoren. Identieke reeksen koepels werden gekweekt op twee substraatoppervlakken. De twee substraten werden vervolgens aan elkaar gesandwiched zodat elke koepel direct tegenover zijn tegenhanger op het andere substraat werd geplaatst.

Elke koepel werd vervolgens via koperen bedrading verbonden met een LED-lamp. Toen er druk op de sandwich werd uitgeoefend, de koepels in elkaar gedrukt, veroorzaakt een vervorming die resulteert in een toename van de geleidbaarheid. Dit, beurtelings, zorgde ervoor dat de bijbehorende LED-lampen een bepaalde hoeveelheid oplichtten, afhankelijk van de hoeveelheid druk die werd uitgeoefend.

"In dit experiment zijn we vooral gericht op de druksensoren, maar het aantal richtingen waarin dit kan worden genomen is enorm, " zei Will (Yangxiaolu) Cao, een postdoctoraal medewerker in You's laboratorium en eerste auteur van het artikel. "We zouden biologisch responsieve materialen kunnen gebruiken om levende circuits te creëren. Of als we de bacteriën in leven zouden kunnen houden, je zou je kunnen voorstellen materialen te maken die zichzelf kunnen genezen en reageren op veranderingen in de omgeving."

"Een ander aspect dat we willen nastreven, is hoe we veel complexere patronen kunnen genereren, " zei jij. "Bacteriën kunnen complexe vertakkingspatronen creëren, we weten alleen niet hoe we ze dat zelf moeten laten doen - nog niet."