Biofilms roepen bij de meeste mensen beelden op van gladde stenen in een beekbedding en vuile rioleringen. Hoewel er tal van "slechte" biofilms zijn - ze veroorzaken zelfs vervelende tandplak en tal van andere, meer ernstige medische problemen - ziet een team van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University biofilms als een robuust nieuw platform voor designer nanomaterialen dat vervuilde rivieren zou kunnen opruimen, vervaardiging van farmaceutische producten, nieuw textiel fabriceren, en meer.

Kortom, ze willen biofilms een facelift geven, en hebben hiervoor een nieuw eiwit-engineeringsysteem ontwikkeld, BIND genaamd. Met behulp van BIND, wat staat voor Biofilm-Integrated Nanofiber Display, het team zei dat biofilms de levende gieterijen van morgen kunnen zijn voor de grootschalige productie van biomaterialen die kunnen worden geprogrammeerd om functies te bieden die niet mogelijk zijn met bestaande materialen. Ze hebben de proof-of-concept gerapporteerd in Natuurcommunicatie .

"Het meeste biofilmgerelateerde onderzoek richt zich tegenwoordig op het verwijderen van biofilms, maar we laten hier zien dat we deze supersterke natuurlijke materialen kunnen ontwerpen om specifieke functies uit te voeren - dus misschien willen we ze in specifieke hoeveelheden en voor specifieke toepassingen, " zei Neel Joshi, kernfaculteitslid van het Wyss Institute, doctoraat, senior auteur van de studie. Joshi is ook universitair hoofddocent chemische en biologische technologie aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Biofilms zelf-assembleren en zelfgenezen ook. "Als ze beschadigd raken, ze groeien meteen terug omdat het levende weefsels zijn, " zei hoofdauteur Peter Nguyen, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker aan het Wyss Institute en Harvard SEAS.

Biofilms zijn gemeenschappen van bacteriën die zich nestelen in een slijmerige, maar extreem zwaar, matrix van extracellulair materiaal bestaande uit suikers, eiwitten, genetisch materiaal en meer. Tijdens de vorming van biofilms pompen individuele bacteriën eiwitten uit die zichzelf buiten de cel assembleren - waardoor verwarde netwerken van vezels ontstaan ​​die de cellen in wezen aan elkaar lijmen tot gemeenschappen die de bacteriën veiliger houden dan ze alleen zouden zijn.

Interesse in biofilm-engineering schiet omhoog, en hoewel verschillende andere teams onlangs genetische hulpmiddelen hebben ontwikkeld om de vorming van biofilms te beheersen, Joshi's team veranderde de samenstelling van het extracellulaire materiaal zelf, waardoor het in wezen een zelfreplicerend productieplatform werd om het materiaal te produceren dat ze wilden produceren.

"Tot voor kort was er onvoldoende samenwerking tussen synthetisch biologen en biomaterialenonderzoekers om het synthetische potentieel van biofilms op deze manier te benutten. Die kloof proberen we te overbruggen, ' zei Joshi.

Het team heeft een eiwit met een bepaalde gewenste functie genetisch gefuseerd - bijvoorbeeld een waarvan bekend is dat het zich aan staal hecht - op een klein eiwit genaamd CsgA dat al wordt geproduceerd door E coli bacteriën. Het toegevoegde domein ging toen mee voor de rit door het natuurlijke proces waarbij CsgA buiten de cel wordt uitgescheiden, waar het zichzelf assembleerde tot supersterke eiwitten die amyloïde nanovezels worden genoemd. Deze amyloïde eiwitten behielden de functionaliteit van het toegevoegde eiwit en zorgden er in dit geval voor dat de biofilm aan staal hechtte.

Amyloïde-eiwitten krijgen traditioneel een slechte reputatie vanwege hun rol bij het veroorzaken van enorme gezondheidsproblemen zoals de ziekte van Alzheimer, maar in dit geval is hun rol fundamenteel om BIND zo robuust te maken. Deze amyloïden kunnen spontaan assembleren tot vezels die, bij gewicht, zijn sterker dan staal en stijver dan zijde.

"We zijn enthousiast over de veelzijdigheid van de methode, te, " zei Joshi. Het team toonde het vermogen om 12 verschillende eiwitten te fuseren met het CsgA-eiwit, met sterk variërende sequenties en lengtes. Dit betekent in principe dat ze deze technologie kunnen gebruiken om vrijwel elke eiwitsequentie weer te geven - een belangrijk kenmerk omdat eiwitten een reeks indrukwekkende functies vervullen, van binding aan vreemde deeltjes tot het uitvoeren van chemische reacties, signalen doorgeven, structurele ondersteuning bieden, en het transporteren of opslaan van bepaalde moleculen.

Deze functies kunnen niet alleen één voor één in de biofilm worden geprogrammeerd, maar ze kunnen ook worden gecombineerd om multifunctionele biofilms te creëren.

Het concept van de microbiële fabriek is niet nieuw, maar voor het eerst wordt het toegepast op materialen, in tegenstelling tot oplosbare moleculen zoals medicijnen of brandstoffen. "We zijn in wezen de cellen aan het programmeren als fabricagefabrieken, " zei Joshi. "Ze produceren niet alleen een grondstof als bouwsteen, ze orkestreren de assemblage van die blokken in structuren van een hogere orde en handhaven die structuur in de loop van de tijd."

"Het fundamentele werk dat Neel en zijn team doen met biofilms biedt een kijkje in een veel milieuvriendelijkere toekomst waarin gigantische fabrieken worden verkleind tot de grootte van een cel die we kunnen programmeren om nieuwe materialen te produceren die voldoen aan onze dagelijkse behoeften - van textiel tot energie- en milieusanering, " zei Don Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat

Voor nu heeft het team aangetoond dat het kan programmeren E coli biofilms die aan bepaalde substraten kleven, zoals staal, andere die een reeks eiwitten kunnen immobiliseren of het modelleren van zilver voor de constructie van nanodraden kunnen bevorderen.