Vor einigen Tagen schlug das Forschungsteam von Dai Zhuojun und Liu Zhiyuans Forschungsgruppe des Shenzhen Institute of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine neue Konstruktionsidee für schnell reparierbare lebende Materialien im Bereich der lebenden Funktionsmaterialien vor und verwandelte diese Idee weiter in eine Art lebendiges Material. Das universelle lebende Materialkombinationsverfahren wird in neue Anwendungsfelder wie die intelligente Fertigung und Montage von tragbaren Geräten vorangetrieben. Diese Errungenschaft ist ein neuer Versuch des Forschungsteams, Biotechnologie (BT) und Informationstechnologie (IT) in den Bereich der synthetischen Biologie zu integrieren. Relevante Forschungsergebnisse wurden in Nature Chemical biology veröffentlicht.
Selbstheilende Materialien sind kein Konzept, das in den letzten Jahren eingeführt wurde. Eine Bekleidungsmarke in den Vereinigten Staaten hat zuvor Bekleidungsmaterialien auf den Markt gebracht, die automatisch repariert werden können. Das Prinzip ist sehr einfach. Es ist nur durch Erhöhung der Festigkeit des Fadens, so dass der Faden nicht geschnitten werden kann, nachdem der Eisennagel eingeführt wurde, sondern nur der Faden auseinandergezogen wird. Ein solches Material hat jedoch große Einschränkungen, und seine Reparaturfunktion kann angesichts von Spaltungen wie scharfen Gegenständen nicht mehr funktionieren.
Seitdem widmen sich Wissenschaftler der Beschichtung von Materialien für Textilien. Das Ring-Dentin (SRT) -Protein des Tintenfischs hat "selbstheilende" Eigenschaften. Lassen Sie ein paar Tropfen warmes Wasser auf das SRT-proteinbeschichtete Textil fallen, überlappen Sie dann die Abschnitte und drücken Sie etwa 60 Sekunden lang, und die Abschnitte verbinden sich wieder.
Es gibt jedoch immer noch eine große Kluft zwischen solchen selbstheilenden Materialien und den selbstheilenden Materialien, die wir uns vorstellen. Kurz gesagt, solche Reparaturmethoden können die Bruchfläche nicht durch Selbstheilung überbrücken. Auf der anderen Seite haben die gereinigten Proteinmaterialien nicht mehr die Eigenschaft, in lebenden Zellen programmierbar zu sein.
lebendes biologisches Material
Erreichen Sie leistungsstarke Selbstheilungsfähigkeiten
Die rasante Entwicklung der synthetischen Biologie hat es ermöglicht, den Selbstheilungsprozess mit intelligenten biologischen Lebensmaterialien zu realisieren. Traditionelle lebende Materialien schlagen vor, sich auf das Wachstum und die Reproduktion von Mikroorganismen zu verlassen, um eine Selbstreparatur zu erreichen. Dieser Prozess dauert oft Dutzende von Stunden oder sogar Tagen. Eine so lange Reparaturzeit schränkt die Anwendungsszenarien stark ein. In dieser Hinsicht verfolgte das Forschungsteam einen anderen Ansatz als das Reparaturprinzip und fand eine Methode, die die Reparaturzeit des Materials stark verkürzen kann.
Antigen- und Antikörpermoleküle haben eine gewisse Komplementarität in der Struktur (die sich auf intermolekulare Kräfte stützt, um eine nicht-kovalente Bindung zu bilden), so dass sie durch spezifische Wechselwirkung in sehr kurzer Zeit stabil kombiniert werden können. Diese Bindungskraft kann nach einer Beschädigung durch äußere Kraft schnell wiederhergestellt werden, dh eine schnelle Reparatur kann erreicht werden. Basierend auf diesem Prinzip konstruierte das Team zwei technisch hergestellte Stämme mit Antigenen und Nanokörpern, die jeweils auf ihren Oberflächen gezeigt wurden. Danach wurden die beiden Stämme in einem bestimmten Verhältnis gemischt und durch die schnelle Wechselwirkung zwischen Antigenen und Antikörpern ein stabiles LAMA-Vorläufermaterial mit hoher Selbstheilungsfähigkeit.
Da die Eigenschaften von LAMA-Vorläufermaterialien denen von Hydrogelen ähneln, können LABA-Materialien durch die Kombination traditioneller Materialverarbeitungstechniken (wie 3D-Druck, Mikrofluidik usw.) frei zu Materialien mit unterschiedlichen Formen und Eigenschaften verarbeitet werden.
"Programmierbare" lebende Materialien
Geräte intelligenter machen
Qualifizierte selbstheilende Materialien sollten auch intelligent sein. Einer der größten Vorteile lebender biologischer Materialien liegt in der leistungsstarken Programmierbarkeit von Mikroorganismen. Daher untersuchte das Forschungsteam dies auch unter zwei Aspekten.
Auf der einen Seite wurde Paraoxon, der Hauptbestandteil von Pestiziden, durch die Darstellung von Enzymen und Nanokatalysatoren auf der Oberfläche von zwei künstlichen Bakterien und deren anschließende Umwandlung in LAMA-Materialien schließlich erfolgreich zu niedrig toxischem p-Aminophenol abgebaut.
Auf der anderen Seite wird Stärkehydrolase auf der Oberfläche eines Bakteriums gezeigt und Trehalosesynthase wird intrazellulär in einem anderen Bakterium exprimiert, so dass Stärke zuerst durch die Stärkehydrolase in Maltose umgewandelt wird und dann Maltose als Substrat zu einem anderen transportiert wird Die künstlichen Bakterien wurden intrazellulär durch Trehalose-Synthase in Trehalose umgewandelt.
Die hervorragende Selbstheilungsfähigkeit und die intelligente Programmierfähigkeit der LABA-Materialien inspirierten das Forschungsteam, ihre Anwendung in tragbaren Geräten und Biosensoren weiter zu erforschen.
Tragbare Geräte können die grundlegenden physiologischen Signale des menschlichen Körpers erkennen, um eine tägliche Gesundheitserkennung, eine zusätzliche Rehabilitationsbehandlung und andere Effekte zu erreichen. Gute Zugeigenschaften und elektrische Leitfähigkeit sind die Voraussetzungen für ihren normalen Betrieb. Nach der Prüfung kann die elektrische Leitfähigkeit des LABA-Materials auch nach wiederholter zyklischer Dehnung stabil bleiben. Und nach einer Beschädigung kann das LABA-Material in kurzer Zeit schnell auf seine ursprüngliche Leistung repariert werden.
Die neuromuskuläre Aktivität des menschlichen Körpers wird von der Erzeugung elektrophysiologischer Signale begleitet, und elektrophysiologische Sensoren können verwendet werden, um neuromuskuläre elektrophysiologische Signale unterschiedlicher Frequenzen zu erfassen. Die genaue Erfassung von elektrischen Muskelsignalen kann verwendet werden, um einerseits den Gesundheitszustand der Muskeln zu bewerten und andererseits die momentane Aktionsabsicht des menschlichen Körpers zu berechnen und zu bewerten und dann externe Geräte wie Prothesen und Exoskelette zu steuern. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der flexible elektrophysiologische LAMBA-Sensor das elektrische Signal des Muskels genau erfassen kann und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis aufweist als der einzelne Bakterien- oder Gold-Dünnschichtsensor, der mit der gleichen Methode hergestellt wurde.
Zum anderen hat LAMBA als flexibles Material auch bei der Herstellung von Dehnungssensoren deutliche Vorteile. Im Vergleich zu Sensoren aus Goldfolien können flexible LAMA-Dehnungssensoren gleichmäßiger auf den Verformungsgrad reagieren.
BT und IT in der synthetischen Biologie
"Kollision" gibt unendliche Möglichkeiten
Im Allgemeinen hat das Forschungsteam ein lebendiges Material mit schneller Selbstheilungsfähigkeit erfunden. Die hervorragende Leistung dieses Materials macht es in vielen Bereichen zu großen Anwendungsperspektiven. IT-Technologie und BT-Technologie sind zwei Haupttechnologien, die die zukünftige Entwicklung des Menschen beeinflussen. Die wissenschaftlichen und industriellen Kreise fordern die Integration und Querforschung der beiden Bereiche. In Zukunft wird dieses innovative kollaborative Fertigungsmodell "BT+IT" sicherlich eine große technologische Innovation mit sich bringen.
"Wir hoffen, durch diese Forschung eine neue Methode für die Zusammenstellung lebender Materialien zu etablieren. Auf der Grundlage der lebendigen Bioprogrammierbarkeit, durch die Einführung von Theorien in der Polymerphysik und chemischen Synthese, können wir Mikroorganismen mit neuen Eigenschaften ausstatten, so dass die zusammengesetzten Materialien schnelle Selbstheilungseigenschaften haben. Wir fördern auch andere verwandte interessante Forschungen und erwarten und glauben, dass synthetische Biologie unendliche Möglichkeiten bringen kann."sagte der korrespondierende Autor Zhuojun Dai.
Fan Chunhai, Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Professor an der Shanghai Jiaotong University, sagte, dass diese Arbeit einen großen Schritt in der Gestaltung und Bearbeitung von lebenden Materialien gemacht hat. Insbesondere die innovative Designidee vonSchnelle Selbstheilung, die durch dynamische nicht-kovalente Bindungen in der Polymerphysik und -chemie vermittelt wird, wird verwendet, um Bakterien zu bewaffnen, und die klassischen Systeme, die sich in der Polymerwissenschaft angesammelt haben, werden disziplinübergreifend in die synthetische Biologie eingeführt. Dies deutet auch darauf hin, dass wir bei der zukünftigen Gestaltung lebender Materialien lernen und auf andere hervorragende Systeme der Materialwissenschaft zurückgreifen können.
Zhao Guoping, Akademiemitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Chefwissenschaftler des Instituts für Synthetische Biologie der Shenzhen Institutes of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass sich die Leistung auf den Bereich der lebenden Funktionsmaterialien konzentriert und das Problem der Selbstheilung innerhalb von Minuten nach lebenden Materialien in Frage stellt, was nicht allein durch Zellteilung erreicht werden kann. Die Inspiration für die Lösung dieses Problems kommt von der Theorie der dynamischen nicht-kovalenten Bindungsbildung und schnellen Selbstheilung. Unter Verwendung der Eigenschaften eines bakteriellen oberflächenmontierbaren Antigen-Antikörpers wurde ein funktionelles Material entwickelt, das schnell zusammengebaut und selbstheilend werden kann, wodurch ein neues programmierbares Materialmuster realisiert wird. Es ist besonders erwähnenswert, dass diese Arbeit lebende Materialien mit einer Vielzahl von tragbaren Geräten, wie elektrischen Muskelsignalsensoren und Dehnungssensoren, weiter zusammenbaut, die Grenzen zwischen lebenden und nicht lebenden Geräten durchbricht und den Konstruktionsrahmen von lebenden Materialien erweitert. und Anwendungsgebiete ist dies ein Beispiel für die "Konvergenz" der Forschung an der Schnittstelle von chemischer Biologie und Biotechnologie mit Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften.