Привлечение бактерий в качестве партнеров по технологическим инновациям: новые самовосстанавливающиеся материалы и биотехнологии

Короче говоря, они хотят сделать биопленки подтяжкой лица и для этого разработали новую систему инженерии белков под названием BIND. Используя BIND, что расшифровывается как Biofilm-Integrated Nanofiber Display, команда заявила, что биопленки могут стать живыми цехами завтрашнего дня для крупномасштабного производства биоматериалов, которые можно запрограммировать на выполнение функций, недоступных для существующих материалов. Они сообщили о проверке концепции в Nature Communications.

«Большинство исследований, связанных с биопленками, сегодня сосредоточено на том, как избавиться от биопленок, но мы демонстрируем здесь, что можем разработать эти сверхпрочные натуральные материалы для выполнения определенных функций — поэтому мы можем захотеть, чтобы они были доступны в определенных количествах и для конкретных применений», сказал Нил Джоши, доктор философии, ведущий автор исследования, профессор Института Висс. Джоши также является доцентом кафедры химической и биологической инженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS).Биопленки также собираются самостоятельно и восстанавливаются. «Если они повреждены, они отрастают снова, потому что являются живыми тканями», — сказал ведущий автор Питер Нгуен, доктор философии, научный сотрудник Института Висса и Гарвардского SEAS.Биопленки — это сообщества бактерий, заключенных в слизистую, но чрезвычайно прочную матрицу внеклеточного материала, состоящую из сахаров, белков, генетического материала и многого другого.

Во время формирования биопленки отдельные бактерии выкачивают белки, которые самостоятельно собираются вне клетки, создавая запутанные сети волокон, которые по существу склеивают клетки в сообщества, которые сохраняют бактерии в большей безопасности, чем они были бы сами по себе.Интерес к инженерии биопленок стремительно растет, и, хотя несколько других команд недавно разработали генетические инструменты для контроля образования биопленок, команда Джоши изменила состав самого внеклеточного материала, по сути превратив его в самовоспроизводящуюся производственную платформу для производства любого материала. желаю производить.«До недавнего времени было недостаточно сотрудничества между синтетическими биологами и исследователями биоматериалов, чтобы использовать синтетический потенциал биопленок таким образом. Мы пытаемся восполнить этот пробел», — сказал Джоши.

Команда генетически объединила белок с определенной желаемой функцией — например, тот, который, как известно, прилипает к стали, — с небольшим белком под названием CsgA, который уже вырабатывается бактериями E. coli. Присоединенный домен затем прошел через естественный процесс, посредством которого CsgA секретируется за пределы клетки, где он самособирается в сверхпрочные белки, называемые амилоидными нановолокнами.

Эти амилоидные белки сохранили функциональность добавленного белка, обеспечивая в этом случае прилипание биопленки к стали.Амилоидные белки традиционно получают плохую репутацию за их роль в возникновении огромных проблем со здоровьем, таких как болезнь Альцгеймера, но в этом случае их роль является фундаментальной для того, чтобы сделать BIND таким надежным. Эти амилоиды могут спонтанно собираться в волокна, которые по весу прочнее стали и жестче шелка.

«Мы также воодушевлены универсальностью этого метода», — сказал Джоши. Команда продемонстрировала способность объединять 12 различных белков с белком CsgA с широко варьирующейся последовательностью и длиной. В принципе это означает, что они могут использовать эту технологию для отображения практически любой белковой последовательности — важная особенность, потому что белки выполняют множество впечатляющих функций от связывания с чужеродными частицами до проведения химических реакций, передачи сигналов, обеспечения структурной поддержки и транспортировки или хранение определенных молекул.Эти функции можно не только запрограммировать в биопленку по одной, но и комбинировать для создания многофункциональных биопленок.

Концепция микробной фабрики не нова, но впервые она применяется к материалам, а не к растворимым молекулам, таким как лекарства или топливо. «По сути, мы программируем клетки, чтобы они были фабриками по производству», — сказал Джоши. «Они не просто производят сырье в качестве строительного блока, они организуют сборку этих блоков в структуры более высокого порядка и поддерживают эту структуру с течением времени».«Фундаментальная работа, которую Нил и его команда проводят с биопленками, позволяют заглянуть в гораздо более экологически устойчивое будущее, когда гигантские фабрики уменьшены до размера ячейки, которую мы можем запрограммировать для производства новых материалов, отвечающих нашим повседневным потребностям — из текстиля. энергетике и очистке окружающей среды », — сказал директор-основатель Wyss Institute Дон Ингбер, доктор медицины, доктор философии.

На данный момент команда продемонстрировала способность программировать биопленки E. coli, которые прилипают к определенным субстратам, таким как сталь, другие, которые могут иммобилизовать массив белков или способствовать использованию серебра для создания нанопроволок.


Портал обо всем