Устойчивые материалы, работающие на солнечной энергии и живых микробах, которые очищают воду от загрязнителей, выделяют кислород в рану или восстанавливаются после повреждений, могут стать проще в создании благодаря новому исследованию группы биологов и инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Команда разработала метод создания инженерных живых материалов (ELM) — класса материалов, сочетающих синтетические полимеры с живыми микробами — из гораздо более широкого спектра ингредиентов, чем это возможно в настоящее время.
Достижение опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences в статье под названием «Чувствительный живой материал, полученный диффузией, раскрывает внеклеточную ферментативную активность цианобактерий», авторами которой являются исследователи из Научно-исследовательского центра материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC).
Команду возглавили Джинхе Бэ, профессор кафедры химической и наноинженерии имени Аисо Юфэн Ли, и Сьюзан Голден, профессор кафедры молекулярной биологии, обе из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Традиционно ELM создаются путём смешивания живых клеток с полимером до его затвердевания. Это ограничивает исследователей в использовании только биосовместимых исходных материалов, чтобы клетки могли выжить в процессе полимеризации. Новый метод меняет этот подход: он вводит живые клетки после формирования полимера.
Исследователи показали, что, используя некоторые «трансформирующиеся» свойства полимера, имеющего токсичные предшественники, фотосинтезирующие цианобактерии могут диффундировать в готовый нетоксичный полимер, когда он набухает в культуральном растворе. Более того, бактерии заставили ELM изменить форму по мере роста клеток.
«Мы впервые показали, что диффузия является жизнеспособным методом создания ELM, что позволит другим использовать более широкий спектр полимеров для создания ELM в будущем», — сказала соавтор исследования Лиза Танг, аспирантка кафедры химической инженерии в исследовательской группе Бэ. Это включает полимеры, которые ранее были запрещены из-за их токсичности для живых клеток.
Чтобы продемонстрировать концепцию, исследователи использовали термочувствительный полимер под названием поли(N-изопропилакриламид). Этот материал можно заставить вытеснять воду, как при сжатии губки, повышая температуру до 37 градусов Цельсия (температура тела).
Вернувшись к комнатной температуре, матрица поглощает воду и расширяется, что делает её идеальной для впитывания суспензии цианобактерий. Микробы, внедрённые в материал, оставались активными и даже изменяли его свойства.
Со временем исследователи заметили, что включение цианобактерий смягчило полимер и привело к его необратимому изменению формы. Это наблюдение привело к открытию ранее неизвестного секретируемого фермента, который частично разлагает материал.
«Такие удивительные находки подчёркивают ценность изучения динамических, неравновесных систем, таких как инженерные живые материалы (ELM)», — сказал соавтор исследования Натан Сулиер, докторант в лаборатории Голден.
Команда предполагает, что такой подход может работать и с другими материалами, такими как полимеры, реагирующие на изменения pH или проводящие электричество — каркасы, которые ранее были слишком жёсткими для выживания клеток. Цианобактерии, в частности, открывают захватывающие возможности и особенно перспективны для ELM.
Эти микробы могут быть генетически модифицированы для производства определённых химических веществ или выполнения специализированных задач, таких как очистка от экологических загрязнителей, что ранее демонстрировали соавторы этого исследования. А поскольку они работают на солнечной энергии, цианобактерии могут служить устойчивыми ингредиентами для нового поколения ELM.
«Интегрируя фотосинтезирующие организмы в материаловедение, мы можем использовать возобновляемую энергию солнца для создания ценных материалов», — сказала Бэ. «Существует большая потребность в устойчивых альтернативах текущим практикам, основанным на ограниченных ресурсах, и ELM могут предложить путь вперёд».
Основываясь на этой работе, команда продолжит фундаментальные исследования того, как цианобактерии взаимодействуют с различными полимерами. Кроме того, они работают над созданием ELM, который может реагировать на несколько сигналов окружающей среды.
Предоставлено:
[University of California – San Diego](https://phys.org/partners/university-of-california—san-diego/)