Prije nekoliko dana, istraživački tim Dai Zhuojuna i istraživačke grupe Liu Zhiyuana Shenzhenskog instituta za naprednu tehnologiju Kineske akademije znanosti predložio je novu konstrukcijsku ideju za brzo popravljive žive materijale u području živih funkcionalnih materijala i dalje transformirao tu ideju u neku vrstu živog materijala. Metoda kombiniranja univerzalnog živog materijala promovirat će se u nova područja primjene kao što su inteligentna proizvodnja i sastavljanje nosivih uređaja. Ovo postignuće novi je pokušaj istraživačkog tima da integrira biotehnologiju (BT) i informacijsku tehnologiju (IT) u području sintetičke biologije. Relevantni rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Nature Chemical biology.
Samoizlječivi materijali nisu koncept koji se uvodi posljednjih godina. Marka odjeće u Sjedinjenim Državama već je lansirala materijale za odjeću koji se mogu automatski popravljati. Princip je vrlo jednostavan. Samo povećanjem čvrstoće konca, tako da se konac ne može rezati nakon umetanja željeznog čavala, već se konac samo razvlači. Međutim, takav materijal ima velika ograničenja i njegova funkcija popravka više ne može funkcionirati u slučaju pukotina kao što su oštri predmeti.
Od tada su znanstvenici svoju pozornost usmjerili na materijale za premazivanje tekstila. Protein prstenastog dentina (SRT) lignje ima svojstva "samoizlječenja". Kapnite nekoliko kapi tople vode na SRT tekstil obložen proteinima, a zatim preklapajte dijelove i pritisnite oko 60 sekundi, i dijelovi će se ponovno spojiti.
Međutim, još uvijek postoji veliki jaz između takvih samoiscjeljujućih materijala i samoiscjeljujućih materijala koje zamišljamo. Ukratko, takve metode popravka ne mogu premostiti površinu prijeloma samozacjeljivanjem. S druge strane, pročišćeni proteinski materijali više nemaju svojstvo programiranja u živim stanicama.
živi biološki materijal
Postignite snažne sposobnosti samoiscjeljivanja
Brzi razvoj sintetičke biologije omogućio je realizaciju procesa samoizlječenja korištenjem inteligentnih bioloških živih materijala. Tradicionalni živi materijali predlažu oslanjanje na rast i reprodukciju mikroorganizama kako bi se postiglo samopopravljanje. Ovaj proces često traje desetke sati ili čak dana. Tako dugo vrijeme popravka uvelike ograničava njegove scenarije primjene. S tim u vezi, istraživački tim uzeo je drugačiji pristup od principa popravka i pronašao metodu koja može uvelike skratiti vrijeme popravka materijala.
Molekule antigena i antitijela imaju određenu komplementarnost u strukturi (oslanjaju se na međumolekularne sile za stvaranje nekovalentnog vezanja), tako da se mogu stabilno kombinirati specifičnom interakcijom u vrlo kratkom vremenskom razdoblju. Ova se sila vezivanja može brzo obnoviti nakon oštećenja vanjskom silom, odnosno može se postići brzi popravak. Na temelju ovog principa, tim je konstruirao dva modificirana soja s antigenima i nanotijelima prikazanima na njihovim površinama. Nakon toga su dva soja pomiješana u određenom omjeru, te je brzom interakcijom između antigena i antitijela nastao stabilan LAMBA prekursorski materijal s visokom sposobnošću samoizlječenja.
Budući da su svojstva LAMBA prekursorskih materijala slična hidrogelovima, LAMBA materijali se mogu slobodno prerađivati u materijale različitih oblika i svojstava kombiniranjem tradicionalnih tehnika obrade materijala (kao što su 3D ispis, mikrofluidika itd.).
'Programabilni' živi materijali
Učinite uređaje pametnijima
Kvalificirani materijali za samoiscjeljivanje također bi trebali biti inteligentni. Jedna od najvećih prednosti živih bioloških materijala leži u snažnoj mogućnosti programiranja mikroorganizama. Stoga je istraživački tim i to istražio s dva aspekta.
S jedne strane, prikazivanjem enzima i nanokatalizatora na površini dviju proizvedenih bakterija, a zatim ih pretvarajući u LAMBA materijale, paraokson, glavna komponenta pesticida, konačno je uspješno razgrađen u niskotoksični p-aminofenol.
S druge strane, škrobna hidrolaza se pojavljuje na površini jedne bakterije, a trehaloza sintaza se eksprimira intracelularno u drugoj bakteriji, tako da se škrobna hidrolaza prvo pretvara u maltozu, a zatim se maltoza prenosi kao supstrat u drugu. bakterije su intracelularno prevedene u trehalozu pomoću trehaloza sintaze.
Super sposobnost samoiscjeljivanja i sposobnost inteligentnog programiranja LAMBA materijala nadahnula je istraživački tim da dodatno istraži njegovu primjenu u nosivim uređajima i biosenzorima.
Nosivi uređaji mogu detektirati osnovne fiziološke signale ljudskog tijela kako bi se postigla dnevna detekcija zdravlja, pomoćni rehabilitacijski tretman i drugi učinci. Dobra vlačna svojstva i električna vodljivost preduvjet su za njihov normalan rad. Nakon testiranja, električna vodljivost LAMBA materijala može ostati stabilna čak i nakon opetovanog cikličkog rastezanja. I nakon oštećenja, LAMBA materijal se može brzo popraviti na svoje izvorne performanse u kratkom vremenskom razdoblju.
Neuromuskularnu aktivnost ljudskog tijela prati generiranje elektrofizioloških signala, a elektrofiziološki senzori mogu se koristiti za hvatanje neuromuskularnih elektrofizioloških signala različitih frekvencija. Točno prikupljanje električnih signala mišića može se koristiti za procjenu zdravstvenog stanja mišića s jedne strane, te za izračunavanje i procjenu trenutne namjere djelovanja ljudskog tijela, a zatim za upravljanje vanjskim uređajima, kao što su proteze i egzoskeleti. Eksperimentalni rezultati pokazuju da fleksibilni elektrofiziološki senzor LAMBA može točno uhvatiti električni signal mišića i pokazuje bolji omjer signala i šuma od pojedinačnih bakterija ili senzora tankog filma zlata pripremljenog istom metodom.
S druge strane, kao fleksibilan materijal, LAMBA također ima značajne prednosti u izradi senzora deformacije. U usporedbi sa senzorima izrađenim od zlatnih filmova, fleksibilni LAMBA senzori deformacije mogu ravnomjernije reagirati na stupanj deformacije.
BT i IT u sintetskoj biologiji
"Sudar" daje beskrajne mogućnosti
Općenito, istraživački tim je izumio živi materijal sa sposobnošću brzog samoizlječenja. Izvrsna izvedba ovog materijala čini ga velikim izgledima za primjenu u mnogim područjima. IT tehnologija i BT tehnologija dvije su glavne tehnologije koje utječu na budući razvoj ljudskih bića. Znanstveni i industrijski krugovi pozivaju na integraciju i unakrsno istraživanje dvaju područja. U budućnosti će ovaj inovativni model suradnje "BT plus IT" zasigurno donijeti veliku tehnološku inovaciju.
"Nadamo se da ćemo kroz ovo istraživanje uspostaviti novu metodu za sastavljanje živih materijala. Na temelju bioprogramabilnosti živih, uvođenjem teorija u fiziku polimera i kemijsku sintezu, možemo podariti mikroorganizmima nova svojstva, tako da sastavljeni materijali imaju brzu Samoizlječiva svojstva. Također promičemo druga povezana zanimljiva istraživanja, očekujući i vjerujući da sintetička biologija može donijeti beskrajne mogućnosti." rekao je dopisni autor Zhuojun Dai.
Fan Chunhai, akademik Kineske akademije znanosti i profesor na šangajskom sveučilištu Jiaotong, rekao je da je ovaj rad napravio veliki korak u dizajnu i uređivanju živih materijala. Konkretno, inovativna ideja dizajnabrzo samoozdravljenje posredovano dinamičkim nekovalentnim vezama u fizici i kemiji polimera koristi se za naoružanje bakterija, a klasični sustavi nakupljeni u znanosti o polimerima uvode se u sintetičku biologiju u različitim disciplinama. Ovo također sugerira da možemo učiti i koristiti druge izvrsne sustave znanosti o materijalima u budućem dizajnu živih materijala.
Zhao Guoping, akademik Kineske akademije znanosti i glavni znanstvenik Instituta za sintetičku biologiju Shenzhenskog instituta za naprednu tehnologiju Kineske akademije znanosti, rekao je da se ovo postignuće usredotočuje na područje živih funkcionalnih materijala, postavljajući izazov problemu samoregulacije zacjeljivanje u roku od nekoliko minuta od živih materijala, što se ne može postići samo diobom stanica. Inspiracija za rješavanje ovog problema dolazi iz teorije dinamičkog stvaranja nekovalentne veze i brzog samoizlječenja. Korištenjem svojstava bakterijskog antigen-antitijela koji se može montirati na površinu, razvijen je funkcionalni materijal koji se može brzo sastaviti i samozacjeljivati, ostvarujući nove uzorke materijala koji se mogu programirati. Posebno je vrijedno spomenuti da ovaj rad dalje povezuje žive materijale s različitim nosivim uređajima, kao što su senzori mišićnih električnih signala i senzori naprezanja, rušeći granice između živih i neživih uređaja i proširujući konstrukcijski okvir živih materijala. i područja primjene, ovo je primjer "konvergencije" istraživanja na sjecištu kemijske biologije i biotehnologije sa znanošću o materijalima i inženjerskim znanostima.