具有合成基因电路的细菌自组装以构建具有金纳米颗粒的工作装置
杜克大学的研究人员通过使用合成基因电路对细菌进行编程,将细菌转化为有用装置的构建者。当细菌菌落生长成半球形状时,基因回路触发一种蛋白质的产生,以分布在可以募集无机材料的菌落内。当研究人员提供金纳米粒子时,该系统在细菌菌落周围形成金壳,其大小和形状可通过改变生长环境来控制。
结果是可以用作压力传感器的设备,证明该过程可以创建工作设备。虽然其他实验已成功使用细菌工艺生长材料,但它们完全依赖于外部控制细菌生长的位置,并且仅限于二维。在这项新研究中,杜克大学的研究人员通过对细胞本身进行编程并控制其获取营养物质来证明复合结构的产生,但仍然使细菌在三维空间中自由生长。
该研究于10月9日在线发表在Nature Biotechnology上。“这项技术使我们能够从单个细胞中培养出功能性装置,”杜克的Paul Ruffin Scarborough工程副教授Lingchong You说道。“从根本上说,它与编程细胞以生长整棵树没有什么不同。”
大自然充满了生命结合有机和无机化合物的例子,以制造更好的材料。软体动物生长由碳酸钙与少量有机成分交织而成的壳,导致微观结构比单独的碳酸钙强三倍。我们自己的骨头是有机胶原蛋白和由各种盐组成的无机矿物质的混合物。
利用细菌中的这种结构能力将比目前的制造工艺具有许多优点。在自然界中,生物制造非常有效地使用原材料和能源。例如,在这种合成系统中,调整生长指令以创建不同的形状和图案在理论上可以比铸造传统制造所需的新模具或模具更便宜和更快。
“自然是制造由生活和非生物组成的结构化材料的大师,”你说。“但是,通过自然规划来创造自组织模式是非常困难的。然而,这项工作是一个原则证明,并非不可能。”
遗传循环就像一个生物学指令,研究人员将其嵌入到细菌的DNA中。方向首先告诉细菌产生一种称为T7 RNA聚合酶(T7RNAP)的蛋白质,然后在正反馈环中激活其自身的表达。它还产生一种叫做AHL的小分子,它可以像信使一样扩散到环境中。
当细胞繁殖并向外生长时,小信使分子的浓度达到临界浓度阈值,从而引发另外两种称为T7溶菌酶和curli的蛋白质。前者抑制T7RNAP的产生,而后者则作为生物Velcro的一种,可以锁定在无机化合物上。
这些反馈回路的动态相互作用导致细菌菌落以圆顶形状生长,直至其用完食物。它还会使穹顶外面的细菌产生生物魔术贴,它抓住研究人员提供的金纳米粒子,形成一个大小与你的平均雀斑大小相当的外壳。
研究人员通过控制其生长的多孔膜的性质,能够改变圆顶的大小和形状。例如,改变毛孔的大小或膜排斥水的程度会影响多少营养素传递到细胞,改变它们的生长模式。
“我们正在展示一种完全基于自组织原理制造三维结构的方法,”杜克公司机械工程与材料科学的Sternberg家庭教授Stefan Zauscher说。“然后将这种三维结构用作支架,以生成具有明确物理特性的装置。这种方法受到自然的启发,并且由于大自然不能单独实现这一点,我们操纵自然来做到这一点为了我们。”
为了展示他们的系统如何用于制造工作装置,研究人员使用这些混合有机/无机结构作为压力传感器。在两个基板表面上生长相同的圆顶阵列。然后将两个基板夹在一起,使得每个圆顶直接定位在另一个基板上的对应物上。
然后通过铜线将每个圆顶连接到LED灯泡。当对夹层施加压力时,圆顶相互挤压,引起变形,导致其导电性增加。这反过来导致相应的LED灯泡根据施加的压力量而变亮一定量。
“在这个实验中,我们主要关注的是压力传感器,但可以采用的方向很多,”Will(Yangxiaolu)Cao说,他是You实验室的博士后助理和该论文的第一作者。“我们可以使用具有生物反应性的材料来制造生物循环。或者如果我们能够保持细菌存活,你可以想象制造能够自我修复并对环境变化做出反应的材料。”
“我们有兴趣追求的另一个方面是如何生成更复杂的模式,”你说。“细菌可以产生复杂的分支模式,我们只是不知道如何让它们自己做到这一点。”
推荐内容
-
定义未培养微生物的基因组标准
在工业革命期间,工厂开始依靠机器而不是人来进行大规模生产。在社会变革的过程中,标准化从确保螺母和螺栓的制造方式与保持生产质量完...
-
肝不好时,皮肤、眼睛会发出信号,若察觉3类异常,及时去趟医院
肝不好时,皮肤、眼睛会发出信号,若察觉3类异常,及时去趟医院 “怎么就晚期了呢?医生,你可要救救我啊!”阿达在医生诊室里情绪...
-
用于培养复杂人类微生物组的器官芯片技术
哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员利用片上器官技术培养复杂的人体微生物组,直接接触血管化的人肠上皮细胞。根据今天发表在Nature
-
孩子个子矮是晚长有时候是你想少了? 这才是事实!
孩子个子矮是晚长有时候是你想少了? 这才是事实!全民自媒体时代,信息被大众获取的途径多种多样,但也出现了很多不实消息被误传的情况。
-
电蚊拍和杀虫剂不能一起用? 官方回应来了!
电蚊拍和杀虫剂不能一起用? 官方回应来了!流量为王的时代,信息被大众获取的途径多种多样,但其中很多消息还没被证实真实性就大范围传播
-
广西许某某会坐牢吗判什么罪?广西百色许某某最新事件完整版起因
【导读】什么是零号病人?据消息显示,零号病人一般指的是第一个感染新冠病毒的人,其实如果零号病人被及时发现,疫情很有可能会得到彻底控
-
科学家记录了自由飞行蝙蝠的大脑活动
翰斯·霍普金斯大学的研究人员已经开发出一种研究蝙蝠飞行时大脑的方法,这是第一次记录当一只流动动物聚焦并重新注意它时会发生什么。...