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科學家設計出新型“活材料”
發布時間:2019-10-24     作者:   來源:青島生物能源與過程研究所   分享到:

生物膜、貝殼、骨骼組織等天然生物系統,能根據環境信號形成多功能、多尺度的生物與非生物成分集合體,比如骨骼,就是由礦物質、活細胞及其他物質組成的矩陣。

來自麻省理工學院(MIT)的工程師們受這些天然材料的啟發,合成出包含生物成分和非生物成分的活性生物材料。其中的活細胞能對環境起反應,產生復雜的生物分子,非生物材料能導電或發光。相關研究論文刊登在了《自然-材料學》(Nature Materials)雜志上。

研究人員通過給細胞編程,“誘騙”細菌細胞產生生物膜,這種生物膜能和金納米粒子、量子點結合在一起。實驗所用的細菌是大腸桿菌。這種細菌能產生生物膜,生物膜中含有一種叫做“螺旋纖維”的淀粉蛋白,幫大腸桿菌附著在物體表面。每根淀粉纖維都是由相同的亞單位 CsgA 不斷重復構成的蛋白鏈, CsgA 上還可以附加肽(蛋白質片段),這些肽能捕捉非生物材料,如金納米粒子。

研究人員利用誘導基因線路和細胞通訊線路,讓細菌能在特定條件下產生不同類型的螺旋纖維,控制生物膜的性質,造出金納米線、傳導生物膜、量子點生物膜、具有量子力學性質的微晶體等。

他們先讓細菌細胞喪失自然產生 CsgA 的能力,然后用一種只能在特定條件下,比如在有 AHL 分子的條件下,才能產生 CsgA 的轉基因線路來代替,這樣調節細胞環境中的 AHL 數量就能控制螺旋纖維的產生。

然后,他們改變大腸桿菌細胞,讓它們能在有 aTc 分子時產生附加了肽的 CsgA ,這些肽構成了組氨酸。這兩種轉基因細胞能在一個群體中生長,改變 AHL 和 aTc 數量,就能控制生物膜的組成成分。兩種分子同時存在時,生物膜中包含了加組氨酸和不加組氨酸的 CsgA 鏈兩種成分。如果加入金納米粒子,附加組氨酸就能“抓住”它們,形成一行行的金納米線和能導電的網絡。

要在螺旋纖維中添加量子點,研究人員會改變細胞,讓它們能產生附有SpyTag的螺旋纖維,而在量子點上涂一層 SpyCatcher(SpyTag 伴侶),它們就會結合在一起。這些細胞還能和產生組氨酸纖維的細菌一起生長,這樣材料中就能同時含有量子點和金納米粒子。

研究人員指出,目前這種“活材料”只是簡單示范。它們在未來能源領域有著廣泛應用,如蓄電池、太陽能電池,還能給生物膜涂上一層酶,催化分解纖維素,把農業廢棄物轉變為生物燃料,其他潛在應用還有診療設備、組織工程支架等。

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