Schelpdieren zoals mosselen en zeepokken scheiden zeer kleverige eiwitten af ​​die hen helpen zich vast te klampen aan rotsen of scheepsrompen, zelfs onder water. Geïnspireerd door deze natuurlijke lijmen, een team van MIT-ingenieurs heeft nieuwe materialen ontworpen die kunnen worden gebruikt om schepen te repareren of om wonden en chirurgische incisies te helpen genezen.

Om hun nieuwe waterdichte lijmen te maken, de MIT-onderzoekers hebben bacteriën ontwikkeld om een ​​hybride materiaal te produceren dat van nature kleverige mosseleiwitten bevat, evenals een bacterieel eiwit dat wordt aangetroffen in biofilms - slijmerige lagen gevormd door bacteriën die op een oppervlak groeien. Wanneer gecombineerd, deze eiwitten vormen nog sterkere onderwaterkleefstoffen dan die van mosselen.

Dit project, beschreven in het nummer van 21 september van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , vertegenwoordigt een nieuw type benadering die kan worden benut om biologische materialen met meerdere componenten te synthetiseren, bacteriën gebruiken als kleine fabriekjes.

"Het uiteindelijke doel voor ons is om een ​​platform op te zetten waar we kunnen beginnen met het bouwen van materialen die meerdere verschillende functionele domeinen met elkaar combineren en om te zien of dat ons betere materiaalprestaties geeft, " zegt Timothy Lu, een universitair hoofddocent biologische engineering en elektrotechniek en computerwetenschappen (EECS) en de senior auteur van het papier.

De hoofdauteur van het artikel is Chao Zhong, een voormalige MIT-postdoc die nu aan de ShanghaiTech University werkt. Andere auteurs zijn afgestudeerde student Thomas Gurry, afgestudeerde student Allen Cheng, senior Jordan Downey, postdoc Zhengtao Deng, en Collin Stultz, een professor in EECS.

Complexe lijmen

De kleverige substantie die mosselen helpt zich aan onderwateroppervlakken te hechten, is gemaakt van verschillende eiwitten die bekend staan ​​als mosselvoeteiwitten. "Veel onderwaterorganismen moeten zich aan dingen kunnen houden, dus ze maken allerlei verschillende soorten lijmen waarvan je zou kunnen lenen, ' zegt Lu.

Wetenschappers hebben eerder E. coli-bacteriën ontwikkeld om individuele mosselvoeteiwitten te produceren, maar deze materialen vangen niet de complexiteit van de natuurlijke lijmen, zegt Lu. In de nieuwe studie het MIT-team wilde bacteriën ontwikkelen om twee verschillende voeteiwitten te produceren, gecombineerd met bacteriële eiwitten die curli-vezels worden genoemd - vezelachtige eiwitten die kunnen samenklonteren en zichzelf kunnen assembleren tot veel grotere en complexere mazen.

Lu's team ontwikkelde bacteriën zodat ze eiwitten zouden produceren bestaande uit curli-vezels gebonden aan ofwel mosselvoeteiwit 3 of mosselvoeteiwit 5. Na het zuiveren van deze eiwitten uit de bacteriën, de onderzoekers lieten ze incuberen en vormen dicht, vezelige mazen. Het resulterende materiaal heeft een regelmatige maar flexibele structuur die sterk bindt aan zowel droge als natte oppervlakken.

De onderzoekers testten de lijmen met behulp van atoomkrachtmicroscopie, een techniek die het oppervlak van een monster meet met een kleine punt. Ze ontdekten dat de lijm zich sterk hechtte aan tips gemaakt van drie verschillende materialen:silica, goud, en polystyreen. Kleefstoffen samengesteld uit gelijke hoeveelheden mosselvoeteiwit 3 en mosselvoeteiwit 5 vormden sterkere kleefstoffen dan die met een andere verhouding, of slechts een van de twee eiwitten op zichzelf.

Deze lijmen waren ook sterker dan natuurlijk voorkomende mossellijmen, en ze zijn de sterkste biologisch geïnspireerd, tot op heden gerapporteerde onderwaterkleefstoffen op basis van eiwitten, zeggen de onderzoekers.

Meer kleefkracht

Met behulp van deze techniek, de onderzoekers kunnen slechts kleine hoeveelheden van de lijm produceren, dus proberen ze nu het proces te verbeteren en grotere hoeveelheden te genereren. Ze zijn ook van plan om te experimenteren met het toevoegen van enkele van de andere mosselvoeteiwitten. "We proberen erachter te komen of door andere mosselvoetproteïnen toe te voegen, we kunnen de kleefkracht nog meer verhogen en de stevigheid van het materiaal verbeteren, ' zegt Lu.

Het team is ook van plan om te proberen "levende lijmen" te maken, bestaande uit films van bacteriën die schade aan een oppervlak kunnen detecteren en het vervolgens kunnen repareren door een kleefmiddel af te scheiden.