Geconstrueerde levende materialen beloven te helpen bij de inspanningen op het gebied van de menselijke gezondheid, energie en milieusanering. Nu kunnen ze groot en aangepast worden met minder inspanning.

Biowetenschappers van de Rice University hebben slijmachtige kolonies van kunstmatige bacteriën op centimeterschaal geïntroduceerd die zichzelf van onder naar boven verzamelen. Ze kunnen worden geprogrammeerd om verontreinigingen uit de omgeving op te nemen of om biologische reacties te katalyseren, naast vele mogelijke toepassingen.

Het creëren van autonoom geconstrueerde levende materialen - of ELM's - was een doel van biowetenschapper Caroline Ajo-Franklin sinds lang voordat ze in 2019 bij Rice kwam.

"We maken materiaal van bacteriën die als stopverf werken," zei Ajo-Franklin. "Een van de mooie dingen ervan is hoe gemakkelijk het is om te maken, je hebt alleen een beetje beweging, een paar voedingsstoffen en bacteriën nodig."

Een onderzoek dat deze week is gepubliceerd in Nature Communications beschrijft de creatie door het lab van flexibele, aanpasbare ELM's met behulp van Caulobacter crescentus als een biologische bouwsteen. Hoewel de bacteriën zelf gemakkelijk genetisch kunnen worden gemodificeerd voor verschillende processen, is het een lang en gecompliceerd proces geweest om ze te ontwerpen om ze zelf te assembleren.

Het omvatte het manipuleren van de bacteriën om de biopolymeermatrix die het materiaal zijn vorm geeft, weer te geven en uit te scheiden. C. crescentus brengt al een eiwit tot expressie dat zijn buitenmembraan bedekt zoals schubben op een slang. De onderzoekers wijzigden de bacteriën om een ​​versie van dat eiwit tot expressie te brengen, dat ze BUD noemen (voor bottom-up de novo, zoals in from scratch), met eigenschappen die niet alleen gunstig zijn voor het vormen van ELM's (genaamd BUD-ELM's), maar die ook tags leveren voor toekomstige functionalisering.

We wilden bewijzen dat het mogelijk is om materialen uit cellen te laten groeien, zoals een boom uit een zaadje groeit", zegt Sara Molinari, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Ajo-Franklin en hoofdauteur van de studie. "Het transformatieve aspect van ELM's is dat ze levende cellen bevatten waardoor het materiaal zichzelf kan assembleren en zichzelf kan repareren in geval van schade. Bovendien kunnen ze verder worden ontwikkeld om niet-eigen functies uit te voeren, zoals het dynamisch verwerken van externe stimuli."

Molinari, die haar doctoraat behaalde bij Rice in het laboratorium van biowetenschapper Matthew Bennett, zei dat BUD-ELM het meest aanpasbare voorbeeld is van een autonoom gevormde, macroscopische ELM. "Het toont een unieke combinatie van hoge prestaties en duurzaamheid", zei ze. "Dankzij het modulaire karakter zou het kunnen dienen als een platform om veel verschillende materialen te genereren."

ELM's groeien volgens de onderzoekers in ongeveer 24 uur in een kolf. Ten eerste vormt zich een dunne huid op het grensvlak tussen lucht en water, die het materiaal zaait. Constant schudden van de kolf stimuleert de ELM om te groeien. Als het eenmaal voldoende is uitgezet, zinkt het naar de bodem en groeit het niet verder.

"We ontdekten dat het schudproces van invloed is op hoe groot een materiaal we krijgen", zegt co-auteur en afgestudeerde student Robert Tesoriero Jr. "Gedeeltelijk zijn we op zoek naar het optimale bereik aan materiaal dat we in een fles van ongeveer 250 millimeter kunnen krijgen . Momenteel is het ongeveer zo groot als een vingernagel."

"Om op centimeterschaal te komen met een cel die kleiner is dan een micron, betekent dat ze samen meer dan vier ordes van grootte organiseren, ongeveer 10.000 keer groter dan een enkele cel," voegde Molinari eraan toe.

Ze zei dat hun functionele materialen robuust genoeg zijn om drie weken bij kamertemperatuur in een pot op het schap te overleven, wat betekent dat ze zonder koeling kunnen worden vervoerd.

Het laboratorium bewees dat de BUD-ELM met succes cadmium uit een oplossing kon verwijderen en in staat was biologische katalyse uit te voeren, waarbij een elektronendrager enzymatisch werd gereduceerd om glucose te oxideren.

Omdat BUD-ELM's tags voor bevestiging dragen, zei Ajo-Franklin dat het relatief eenvoudig moet zijn om ze aan te passen voor optische, elektrische, mechanische, thermische, transport- en katalytische toepassingen.

"Er is veel ruimte om te spelen, wat volgens mij het leuke is," zei Tesoriero.

"De andere grote vraag is dat hoewel we van Caulobacter crescentus houden, het niet de meest populaire jongen in de buurt is," zei Ajo-Franklin. "De meeste mensen hebben er nog nooit van gehoord. Dus we zijn erg benieuwd of deze regels die we in Caulobacter hebben ontdekt ook kunnen worden toegepast op andere bacteriën."

Ze zei dat ELM's vooral nuttig kunnen zijn voor milieusanering in omgevingen met weinig middelen. C. crescentus is hiervoor ideaal omdat het minder voedingsstoffen nodig heeft om te groeien dan veel bacteriën.

"Een van mijn dromen is om het materiaal te gebruiken om zware metalen uit water te verwijderen, en wanneer het het einde van zijn levensduur bereikt, een klein onderdeel eraf trekt en het ter plekke tot vers materiaal laat groeien," zei Ajo-Franklin. "Dat we het met minimale middelen zouden kunnen doen, is echt een overtuigend idee voor mij."

Co-auteurs van het artikel zijn afgestudeerde student Swetha Sridhar, postdoctoraal onderzoeker Rong Cai en labmanager Jayashree Soman van Rice, Kathleen Ryan van de University of California, Berkeley, en Dong Li en Paul Ashby van het Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Californië . Ajo-Franklin is hoogleraar biowetenschappen en CPRIT Scholar in Cancer Research. + Verder verkennen

Engineering woonsteigers voor bouwmaterialen