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实验室从细菌中培养出大规模的模块化材料

工程化的生活材料有望帮助人类健康、能源和环境修复。现在,它们可以更轻松地构建和定制。莱斯大学的生物科学家已经引入了厘米级、粘液状的工程细菌菌落,它们可以自下而上自组装。在许多可能的应用中,它们可以被编程以吸收环境中的污染物或催化生物反应。

早在2019年加入莱斯大学之前,生物科学家CarolineAjo-Franklin就一直致力于打造自主工程生物材料(ELM)。

“我们正在用像油灰一样的细菌制造材料,”Ajo-Franklin说。“它的一个美妙之处在于它很容易制作,只需要一点动作、一些营养和细菌。”

本周发表在《自然通讯》上的一项研究详细介绍了该实验室使用新月茎杆菌作为生物构件创建灵活、适应性强的ELM。虽然细菌本身可以很容易地针对各种过程进行基因改造,但将它们设计为自组装是一个漫长而复杂的过程。

它涉及对细菌进行工程改造,以展示和分泌赋予材料形式的生物聚合物基质。C.crescentus已经表达了一种覆盖其外膜的蛋白质,就像蛇身上的鳞片一样。研究人员修改细菌以表达该蛋白质的一个版本,他们称之为BUD(自下而上从头开始,如从头开始),其特征不仅有利于形成ELM(称为BUD-ELM),而且还为未来的功能化。

Ajo-Franklin实验室的博士后研究员、该研究的主要作者SaraMolinari说:“我们想证明从细胞中培养材料是可能的,就像从种子中长出树一样。”ELM的变革性方面是它们包含活细胞,允许材料在损坏时自我组装和自我修复。此外,它们可以进一步设计以执行非本地功能,例如动态处理外部刺激。”

Molinari在生物科学家MatthewBennett的实验室获得了莱斯大学的博士学位,她说BUD-ELM是自主形成的宏观ELM最可定制的例子。“它展示了高性能和可持续性的独特结合,”她说。“由于它的模块化特性,它可以作为一个平台来生成许多不同的材料。”

据研究人员称,榆树在大约24小时内会在烧瓶中生长。首先,在空气-水界面处形成一层薄皮,为材料播种。不断摇晃烧瓶会促使ELM生长。一旦它膨胀到足够的尺寸,材料就会沉到底部并且不再生长。

“我们发现摇晃过程会影响我们获得的材料的大小,”共同作者和研究生RobertTesorieroJr说。“部分地,我们正在寻找可以在大约250毫米的烧瓶中获得的最佳材料范围.目前它大约有指甲那么大。”

“使用小于一微米的细胞达到厘米级意味着它们共同组织超过四个数量级,比单个细胞大约10,000倍,”Molinari补充说。

她说,它们的功能材料足够坚固,可以在室温下放在架子上的罐子里保存三周,这意味着它们可以在不冷藏的情况下运输。

实验室证明,BUD-ELM可以成功地从溶液中去除镉,并能够进行生物催化,酶促还原电子载体以氧化葡萄糖。

由于BUD-ELM带有用于连接的标签,Ajo-Franklin表示,在光学、电气、机械、热、运输和催化应用中修改它们应该相对容易。

“有很多空间可以玩,我认为这是有趣的部分,”特索里罗说。

“另一个大问题是,虽然我们喜欢新月形茎杆菌,但它并不是这个街区最受欢迎的孩子,”Ajo-Franklin说。“大多数人从未听说过它。所以我们真的很想知道我们在Caulobacter中发现的这些规则是否可以应用于其他细菌。”

她说,ELM对于资源匮乏地区的环境修复可能特别有用。C.crescentus非常适合这种情况,因为它比许多细菌需要更少的营养来生长。

“我的一个梦想是使用这种材料从水中去除重金属,然后当它的使用寿命结束时,拉下一小部分并在现场将其种植成新鲜材料,”Ajo-Franklin说。“我们可以用最少的资源做到这一点,这对我来说确实是一个令人信服的想法。”

该论文的共同作者是研究生SwethaSridhar、博士后研究员RongCai和Rice的实验室经理JayashreeSoman、加州大学伯克利分校的KathleenRyan,以及加利福尼亚州伯克利市劳伦斯伯克利国家实验室的李东和PaulAshby.Ajo-Franklin是生物科学教授和CPRIT癌症研究学者。

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