Исследователи из Университета Дьюка (Duke University, США) запрограммировали бактерии таким образом, что те построили полезное устройство — датчик давления.
Когда бактериальная колония вырастает, принимая форму полусферы, синтетическая биологическая цепь запускает производство белка определённого типа во всей колонии. Бактерии получают возможность включать в свои структуры неорганические материалы, в данном случае использовались наночастицы золота. В результате вокруг бактериальной колонии образуется токопроводящая оболочка, размер и форму которой можно регулировать, выращивая бактерии в различных условиях.
Результат проведения эксперимента — устройство, которое может быть использовано как датчик давления. Это показывает, что с помощью данного процесса можно создавать работающие устройства.
Ранее уже проводились эксперименты, в ходе которых с помощью бактериальных процессов успешно создавались различные материалы. Но все они проходили в условиях жёсткого контроля роста бактерий. Работа же учёных Университета Дьюка продемонстрировала производство композитной структуры через программирование самих клеток и контроль доступа бактерий к питательным веществам, но без физического ограничения возможности роста колонии в трёх измерениях.
Результаты исследования опубликованы 9 октября в журнале Nature Biotechnology.
«Технология позволяет нам вырастить функциональное устройство из одной клетки, — говорит один из авторов работы, Линчун Ю (Lingchong You). — Принципиально это ничем не отличается от программирования клетки, из которой вырастет дерево».
Природа полна примеров, когда организмы сочетают органические и неорганические вещества, чтобы получить максимально качественные материалы. Моллюски выращивают раковины, состоящие из карбоната кальция и небольшого количества органических компонентов. В результате организации микроструктуры раковина получается в три раза жёстче, чем можно было бы достичь изготовлением её только из карбоната кальция. За примерами не обязательно идти на берег моря — наши собственные кости представляют собой смесь коллагена (органика) и неорганических минералов.
Использование способностей бактерий к строительству может быть намного эффективнее применяемых в настоящее время производственных процессов. В природе организмы часто используют сырьё и энергию крайне экономно. В подобной искусственной системе создание «инструкций» по выращиванию различных фигур и моделей может оказаться гораздо дешевле и быстрее, чем изготовление новых штампов и пресс-форм, необходимых в традиционном производстве.
«Природа — мастер изготовления структурированных материалов, состоящих из живых и неживых компонентов, — говорит Ю. — Но природная программа создания самоорганизующихся моделей крайне сложна. Наша работа, однако, является доказательством принципа, что это не является невозможным».
Синтетическая биологическая цепь — пакет генетических инструкций, который исследователи встроили в ДНК бактерии. Сначала бактерии производят белок T7RNAP, который затем активирует его собственное производство (начинает работать положительная обратная связь). Также бактерия производит небольшие сигнальные AHL-молекулы.
В ходе процесса роста и размножения клеток концентрация AHL-молекул достигает критического порога концентрации, при котором запускается производство ещё двух белков — лизоцима T7 и амилоидного белка поверхности микроорганизмов — curli. Первый подавляет выработку T7RNAP, а ко второму могут прикрепляться неорганические соединения.
Динамичное взаимодействие петель обратной связи заставляет бактериальную колонию образовывать куполообразную фигуру, растущую, пока не кончится еда. На внешней стороне купола вырабатывается биологическая «липучка», захватывающая золотые наночастицы.
Исследователи научились изменять размер и форму получаемого купола, контролируя свойства пористой мембраны, на которую высаживались бактерии. Изменялся размер пор или водоотталкивающие свойства мембраны — это влияет на то, как много и как быстро клетки получат питательные вещества.
«Мы демонстрируем один из способов изготовления объёмной структуры, основанный исключительно на принципе самоорганизации, — отметил профессор Университета Дьюка Стефан Зошер (Stefan Zauscher). — Эта объёмная структура используется в качестве каркаса для создания устройства с определёнными физическими свойствами. Этот подход вдохновлён природой, и поскольку природа не делает это сама, мы манипулируем природой, чтобы она сделала это для нас».
Чтобы показать, как описанная система может быть использована для изготовления работающих устройств, исследователи использовали полученные гибридные структуры в качестве датчиков давления.
Одинаковые бактериальные купола были выращены на двух субстратных поверхностях. Затем два субстрата были сложены так, чтобы каждый купол был расположен напротив своего аналога.
Затем каждый купол был подключён к светодиодам через медную проволоку. Если сжимать получившуюся конструкцию, купола давят друг на друга, происходит деформация, приводящая к увеличению проводимости. Это можно видеть по изменению яркости свечения светодиодов.
По словам исследователей, подобная технология может найти множество применений. Задача учёных — научиться программировать клетки так, чтобы они формировали сложные и заранее предсказанные структуры.
