Kilka dni temu zespół badawczy Dai Zhuojun i grupy badawczej Liu Zhiyuan z Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chińskiej Akademii Nauk, zaproponował nowy pomysł na budowę szybko naprawialnych żywych materiałów w dziedzinie żywych materiałów funkcjonalnych, a następnie przekształcił ten pomysł w rodzaj żywego materiału. Uniwersalna metoda kombinacji żywych materiałów zostanie promowana w nowych dziedzinach zastosowań, takich jak inteligentna produkcja i montaż urządzeń do noszenia. Osiągnięcie to jest nową próbą zespołu badawczego zintegrowania biotechnologii (BT) i technologii informacyjnej (IT) w dziedzinie biologii syntetycznej. Odpowiednie wyniki badań zostały opublikowane w Nature Chemical biology.
Materiały samonaprawiające się nie są koncepcją, która została wprowadzona w ostatnich latach. Marka odzieżowa w Stanach Zjednoczonych wprowadziła wcześniej materiały odzieżowe, które można naprawić automatycznie. Zasada jest bardzo prosta. Dzieje się tak tylko poprzez zwiększenie wytrzymałości nici, tak aby nić nie mogła zostać przecięta po włożeniu żelaznego gwoździa, ale tylko nić jest rozrywana. Jednak taki materiał ma duże ograniczenia, a jego funkcja naprawcza nie może już działać w obliczu podziałów, takich jak ostre przedmioty.
Od tego czasu naukowcy zwrócili uwagę na materiały powłokowe do tekstyliów. Białko zębiny pierścieniowej kałamarnicy (SRT) ma właściwości "samoleczenia". Upuść kilka kropli ciepłej wody na tkaninę pokrytą białkiem SRT, a następnie nałóż na sekcje i naciśnij przez około 60 sekund, a sekcje ponownie się połączą.
Jednak nadal istnieje duża przepaść między takimi materiałami samonaprawiającymi a materiałami samonaprawiającymi, które sobie wyobrażamy. Krótko mówiąc, takie metody naprawy nie mogą sprawić, że powierzchnia pęknięcia zostanie zmostkowana przez samoleczenie. Z drugiej strony, oczyszczone materiały białkowe nie mają już właściwości programowalnych w żywych komórkach.
żywy materiał biologiczny
Osiągnij potężne możliwości samoleczenia
Szybki rozwój biologii syntetycznej umożliwił realizację procesu samoleczenia przy użyciu inteligentnych biologicznych materiałów żywych. Tradycyjne żywe materiały proponują poleganie na wzroście i rozmnażaniu mikroorganizmów w celu osiągnięcia samonaprawy. Proces ten często trwa dziesiątki godzin, a nawet dni. Tak długi czas naprawy znacznie ogranicza scenariusze zastosowań. W związku z tym zespół badawczy przyjął inne podejście niż zasada naprawy i znalazł metodę, która może znacznie skrócić czas naprawy materiału.
Cząsteczki antygenu i przeciwciał mają pewną komplementarność w strukturze (polegając na siłach międzycząsteczkowych w celu utworzenia niekowalencyjnego wiązania), dzięki czemu można je stabilnie łączyć przez specyficzne interakcje w bardzo krótkim czasie. Ta siła wiążąca może być szybko przywrócona po uszkodzeniu przez siłę zewnętrzną, to znaczy można osiągnąć szybką naprawę. W oparciu o tę zasadę zespół skonstruował dwa zmodyfikowane szczepy z antygenami i nanociałami wyświetlanymi odpowiednio na ich powierzchniach. Następnie oba szczepy zostały zmieszane w pewnej proporcji, a poprzez szybką interakcję między antygenami i przeciwciałami, stabilnym materiałem prekursorowym LAMBA o wysokiej zdolności samoleczenia.
Ponieważ właściwości materiałów prekursorowych LAMBA są podobne do hydrożeli, materiały LAMBA można dowolnie przetwarzać na materiały o różnych kształtach i właściwościach, łącząc tradycyjne techniki przetwarzania materiałów (takie jak druk 3D, mikroprzepływ itp.).
"Programowalne" żywe materiały
Spraw, aby urządzenia były inteligentniejsze
Wykwalifikowane materiały samonaprawiające powinny być również inteligentne. Jedną z największych zalet żywych materiałów biologicznych jest potężna programowalność mikroorganizmów. Dlatego zespół badawczy zbadał to również z dwóch aspektów.
Z jednej strony, poprzez wyświetlanie enzymów i nanokatalizatorów na powierzchni dwóch zmodyfikowanych bakterii, a następnie przekształcanie ich w materiały LAMBA, paraokson, główny składnik pestycydów, został ostatecznie z powodzeniem zdegradowany do nisko toksycznego p-aminofenolu.
Z drugiej strony hydrolaza skrobiowa jest wyświetlana na powierzchni jednej bakterii, a syntaza trehalozy ulega ekspresji wewnątrzkomórkowej u innej bakterii, tak że skrobia jest najpierw przekształcana w maltozę przez hydrolazę skrobi, a następnie maltoza jest transportowana jako substrat do innej Zmodyfikowane bakterie zostały wewnątrzkomórkowo przekształcone w trehalozę przez syntazę trehalozy.
Super zdolność samoleczenia i inteligentna zdolność programowania materiałów LAMBA zainspirowały zespół badawczy do dalszego zbadania jego zastosowania w urządzeniach do noszenia i biosensorach.
Urządzenia do noszenia mogą wykrywać podstawowe sygnały fizjologiczne ludzkiego ciała, aby osiągnąć codzienne wykrywanie zdrowia, pomocnicze leczenie rehabilitacyjne i inne efekty. Dobre właściwości rozciągające i przewodność elektryczna są warunkami wstępnymi ich normalnej pracy. Po przetestowaniu przewodność elektryczna materiału LAMBA może pozostać stabilna nawet po wielokrotnym rozciąganiu cyklicznym. Po uszkodzeniu materiał LAMBA można szybko naprawić do pierwotnej wydajności w krótkim czasie.
Aktywności nerwowo-mięśniowej ludzkiego ciała towarzyszy generowanie sygnałów elektrofizjologicznych, a czujniki elektrofizjologiczne mogą być wykorzystywane do wychwytywania nerwowo-mięśniowych sygnałów elektrofizjologicznych o różnych częstotliwościach. Dokładne pozyskiwanie sygnałów elektrycznych mięśni może być wykorzystane do oceny stanu zdrowia mięśni z jednej strony oraz do obliczenia i oceny chwilowego działania ludzkiego ciała, a następnie do kontrolowania urządzeń zewnętrznych, takich jak protetyka i egzoszkielety. Wyniki eksperymentu pokazują, że elastyczny czujnik elektrofizjologiczny LAMBA może dokładnie uchwycić sygnał elektryczny mięśnia i wykazuje lepszy stosunek sygnału do szumu niż pojedynczy czujnik bakterii lub złoty cienki czujnik przygotowany tą samą metodą.
Z drugiej strony, jako elastyczny materiał, LAMBA ma również znaczące zalety w produkcji czujników odkształcenia. W porównaniu z czujnikami wykonanymi ze złotych folii, elastyczne czujniki odkształcenia LAMBA mogą bardziej równomiernie reagować na stopień odkształcenia.
BT i IT w biologii syntetycznej
"Kolizja" daje nieskończone możliwości
Ogólnie rzecz biorąc, zespół badawczy wynalazł żywy materiał o szybkiej zdolności samoleczenia. Doskonała wydajność tego materiału sprawia, że ma on duże perspektywy zastosowania w wielu dziedzinach. Technologia IT i technologia BT to dwie główne technologie, które wpływają na przyszły rozwój ludzi. Środowiska naukowe i przemysłowe wzywają do integracji i wzajemnych badań tych dwóch dziedzin. W przyszłości ten innowacyjny model produkcji zespołowej "BT + IT" z pewnością przyniesie poważną innowację technologiczną.
"Mamy nadzieję na ustanowienie nowej metody montażu żywych materiałów poprzez te badania. Na podstawie żywej bioprogramowalności, wprowadzając teorie w fizyce polimerów i syntezie chemicznej, możemy nadać mikroorganizmom nowe cechy, dzięki czemu zmontowane materiały mają szybkie właściwości samonaprawiające. Promujemy również inne powiązane interesujące badania, oczekując i wierząc, że biologia syntetyczna może przynieść nieskończone możliwości."powiedział autor korespondencyjny Zhuojun Dai.
Fan Chunhai, akademik Chińskiej Akademii Nauk i profesor na Uniwersytecie Jiaotong w Szanghaju, powiedział, że ta praca zrobiła duży krok w projektowaniu i edycji żywych materiałów. W szczególności innowacyjna idea projektowaszybka samonaprawia za pośrednictwem dynamicznych wiązań niekowalencyjnych w fizyce i chemii polimerów jest wykorzystywana do uzbrajania bakterii, a klasyczne systemy zgromadzone w nauce o polimerach są wprowadzane do biologii syntetycznej w różnych dyscyplinach. Sugeruje to również, że możemy uczyć się i czerpać z innych doskonałych systemów materiałoznawstwa w przyszłym projektowaniu żywych materiałów.
Zhao Guoping, akademik Chińskiej Akademii Nauk i główny naukowiec Instytutu Biologii Syntetycznej, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chińskiej Akademii Nauk, powiedział, że osiągnięcie koncentruje się na dziedzinie żywych materiałów funkcjonalnych, rzucając wyzwanie problemowi samoleczenia w ciągu kilku minut od żywych materiałów, czego nie można osiągnąć przez sam podział komórek. Inspiracją do rozwiązania tego problemu jest teoria dynamicznego niekowalencyjnego tworzenia wiązań i szybkiego samoleczenia. Wykorzystując właściwości bakteryjnego antygenu-przeciwciała powierzchniowego, opracowano funkcjonalny materiał, który można szybko zmontować i samoleczyć, realizując nowe programowalne wzorce materiału. Szczególnie warto wspomnieć, że praca ta dalej łączy żywe materiały z różnymi urządzeniami do noszenia, takimi jak czujniki sygnału elektrycznego mięśni i czujniki napięcia, przełamując granice między urządzeniami żywymi i nieożywionymi oraz rozszerzając ramy konstrukcyjne żywych materiałów. i obszary zastosowań, jest to przykład "konwergencji" badań na styku biologii chemicznej i biotechnologii z materiałoznawstwem i inżynierią.