Несколько дней назад исследовательская группа Дай Чжоцзюня и исследовательской группы Лю Чжиюаня из Шэньчжэньского института передовых технологий Китайской академии наук предложила новую идею конструкции быстро ремонтируемых живых материалов в области живых функциональных материалов и еще больше преобразовала эту идею. в своего рода живой материал. Универсальный метод комбинирования живых материалов будет продвигаться в новые области применения, такие как интеллектуальное производство и сборка носимых устройств. Это достижение является новой попыткой исследовательской группы объединить биотехнологии (БТ) и информационные технологии (ИТ) в области синтетической биологии. Соответствующие результаты исследований были опубликованы в журнале Nature Chemical biology.
Самовосстанавливающиеся материалы не являются концепцией, введенной в последние годы. Бренд одежды в США ранее выпустил материалы для одежды, которые можно ремонтировать автоматически. Принцип очень прост. Это только за счет увеличения прочности нити, так что нить нельзя обрезать после того, как вставлен железный гвоздь, а только нить разрывается. Однако такой материал имеет большие ограничения, и его функция восстановления больше не может работать при наличии трещин, таких как острые предметы.
С тех пор ученые обратили свое внимание на материалы покрытия для текстиля. Белок кольцевого дентина кальмара (SRT) обладает свойствами «самовосстановления». Капните несколько капель теплой воды на ткань с белковым покрытием SRT, а затем перекройте секции и прижмите их примерно на 60 секунд, чтобы секции снова соединились.
Однако между такими самовосстанавливающимися материалами и теми самовосстанавливающимися материалами, которые мы себе представляем, все еще существует большой разрыв. Короче говоря, такие методы восстановления не могут привести к самозаживлению поверхности перелома. С другой стороны, очищенные белковые материалы больше не обладают свойством программироваться в живых клетках.
живой биологический материал
Получите мощные возможности самовосстановления
Стремительное развитие синтетической биологии позволило реализовать процесс самовосстановления с использованием интеллектуальных биологических живых материалов. Традиционные живые материалы предлагают полагаться на рост и размножение микроорганизмов для достижения самовосстановления. Этот процесс часто занимает десятки часов или даже дней. Столь длительное время ремонта сильно ограничивает сценарии его применения. В связи с этим исследовательская группа избрала подход, отличный от принципа ремонта, и нашла метод, который может значительно сократить время ремонта материала.
Молекулы антигена и антитела имеют определенную комплементарность в структуре (опираясь на межмолекулярные силы для образования нековалентного связывания), так что они могут быть стабильно объединены путем специфического взаимодействия за очень короткий промежуток времени. Эта связывающая сила может быть быстро восстановлена после повреждения внешней силой, то есть может быть достигнуто быстрое восстановление. Основываясь на этом принципе, команда сконструировала два сконструированных штамма с антигенами и нанотелами, расположенными на их поверхности соответственно. После этого два штамма смешивали в определенной пропорции и за счет быстрого взаимодействия между антигенами и антителами получали стабильный материал-предшественник LAMBA с высокой способностью к самовосстановлению.
Поскольку свойства материалов-предшественников LAMBA аналогичны гидрогелям, материалы LAMBA можно свободно перерабатывать в материалы с различными формами и свойствами, комбинируя традиционные методы обработки материалов (такие как 3D-печать, микрофлюидика и т. д.).
«Программируемые» живые материалы
Делайте устройства умнее
Квалифицированные самовосстанавливающиеся материалы также должны быть интеллектуальными. Одно из самых больших преимуществ живых биологических материалов заключается в мощной программируемости микроорганизмов. Поэтому исследовательская группа также изучила это с двух сторон.
С одной стороны, путем размещения ферментов и нанокатализаторов на поверхности двух сконструированных бактерий, а затем превращения их в материалы LAMBA, параоксон, основной компонент пестицидов, был наконец успешно разложен до малотоксичного п-аминофенола.
С другой стороны, гидролаза крахмала экспонируется на поверхности одних бактерий, а трегалозосинтаза экспрессируется внутриклеточно у других бактерий, так что крахмал сначала превращается в мальтозу гидролазой крахмала, а затем мальтоза транспортируется в качестве субстрата к другим. бактерии внутриклеточно превращались в трегалозу с помощью трегалозосинтазы.
Способность материалов LAMBA к самовосстановлению и интеллектуальному программированию вдохновила исследовательскую группу на дальнейшее изучение их применения в носимых устройствах и биосенсорах.
Носимые устройства могут обнаруживать основные физиологические сигналы человеческого тела для ежедневного определения состояния здоровья, вспомогательного реабилитационного лечения и других эффектов. Хорошие свойства при растяжении и электропроводность являются предпосылками для их нормальной работы. После испытаний электропроводность материала LAMBA может оставаться стабильной даже после многократного циклического растяжения. А после повреждения материал LAMBA можно быстро восстановить до первоначального качества за короткий промежуток времени.
Нервно-мышечная деятельность организма человека сопровождается генерацией электрофизиологических сигналов, и электрофизиологические датчики могут использоваться для улавливания нервно-мышечных электрофизиологических сигналов различной частоты. Точное получение мышечных электрических сигналов можно использовать для оценки состояния мышц, с одной стороны, и для расчета и оценки намерения мгновенного действия человеческого тела, а затем для управления внешними устройствами, такими как протезы и экзоскелеты. Экспериментальные результаты показывают, что гибкий электрофизиологический датчик LAMBA может точно улавливать электрический сигнал мышцы и демонстрирует лучшее соотношение сигнал/шум, чем одиночный бактериальный или золотой тонкопленочный датчик, приготовленный тем же методом.
С другой стороны, как гибкий материал, LAMBA также имеет значительные преимущества при изготовлении датчиков деформации. По сравнению с датчиками из золотых пленок гибкие тензометрические датчики LAMBA могут более равномерно реагировать на степень деформации.
БТ и ИТ в синтетической биологии
«Столкновение» дает безграничные возможности
В общем, исследовательская группа изобрела живой материал, обладающий способностью к быстрому самовосстановлению. Отличные эксплуатационные характеристики этого материала делают его перспективным для применения во многих областях. ИТ-технологии и технологии BT являются двумя основными технологиями, которые влияют на будущее развитие человека. Научные и промышленные круги призывают к интеграции и перекрестным исследованиям двух областей. В будущем эта инновационная модель совместного производства «BT плюс ИТ», несомненно, приведет к крупным технологическим инновациям.
«Благодаря этому исследованию мы надеемся создать новый метод сборки живых материалов. На основе биопрограммируемости живых организмов, вводя теории в физике полимеров и химическом синтезе, мы можем наделить микроорганизмы новыми характеристиками, чтобы собранные материалы быстро свойства самовосстановления Мы также продвигаем другие связанные интересные исследования, ожидая и веря, что синтетическая биология может открыть бесконечные возможности." — сказал автор-корреспондент Чжоцзюнь Дай.
Фан Чуньхай, академик Китайской академии наук и профессор Шанхайского университета Цзяотун, сказал, что эта работа сделала большой шаг в разработке и редактировании живых материалов. В частности, инновационная дизайнерская идеябыстрое самовосстановление, опосредованное динамическими нековалентными связями в физике и химии полимеров, используется для вооружения бактерий, а классические системы, накопленные в науке о полимерах, внедряются в синтетическую биологию по всем дисциплинам. Это также говорит о том, что мы можем изучить и использовать другие превосходные системы материаловедения при разработке живых материалов в будущем.
Чжао Гопин, академик Китайской академии наук и главный научный сотрудник Института синтетической биологии Шэньчжэньского института передовых технологий Китайской академии наук, сказал, что достижение сосредоточено на области живых функциональных материалов, бросая вызов проблеме само- заживление живых материалов в течение нескольких минут, чего нельзя достичь только делением клеток. Вдохновение для решения этой проблемы исходит из теории формирования динамической нековалентной связи и быстрого самовосстановления. Используя свойства бактериального поверхностного антигена-антитела, был разработан функциональный материал, который может быть быстро собран и самовосстановлен, реализуя новые программируемые модели материала. Особо стоит отметить, что в этой работе происходит дальнейшая сборка живых материалов с различными носимыми устройствами, такими как датчики мышечных электрических сигналов и датчики деформации, что разрушает границы между живыми и неживыми устройствами и расширяет конструктивные рамки живых материалов. и прикладных областях, это пример «конвергенции» исследований на стыке химической биологии и биотехнологии с материаловедением и инженерией.