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  • [青岛能源所]科学家设计出新型“活材料”

      生物膜、贝壳、骨骼组织等天然生物系统,能根据环境信号形成多功能、多尺度的生物与非生物成分集合体,比如骨骼,就是由矿物质、活细胞及其他物质组成的矩阵。

      来自麻省理工学院(MIT)的工程师们受这些天然材料的启发,合成出包含生物成分和非生物成分的活性生物材料。其中的活细胞能对环境起反应,产生复杂的生物分子,非生物材料能导电或发光。相关研究论文刊登在了《自然-材料学》(Nature Materials)杂志上。

      研究人员通过给细胞编程,“诱骗”细菌细胞产生生物膜,这种生物膜能和金纳米粒子、量子点结合在一起。实验所用的细菌是大肠杆菌。这种细菌能产生生物膜,生物膜中含有一种叫做“螺旋纤维”的淀粉蛋白,帮大肠杆菌附着在物体表面。每根淀粉纤维都是由相同的亚单位 CsgA 不断重复构成的蛋白链, CsgA 上还可以附加肽(蛋白质片段),这些肽能捕捉非生物材料,如金纳米粒子。

      研究人员利用诱导基因线路和细胞通讯线路,让细菌能在特定条件下产生不同类型的螺旋纤维,控制生物膜的性质,造出金纳米线、传导生物膜、量子点生物膜、具有量子力学性质的微晶体等。

      他们先让细菌细胞丧失自然产生 CsgA 的能力,然后用一种只能在特定条件下,比如在有 AHL 分子的条件下,才能产生 CsgA 的转基因线路来代替,这样调节细胞环境中的 AHL 数量就能控制螺旋纤维的产生。

      然后,他们改变大肠杆菌细胞,让它们能在有 aTc 分子时产生附加了肽的 CsgA ,这些肽构成了组氨酸。这两种转基因细胞能在一个群体中生长,改变 AHL 和 aTc 数量,就能控制生物膜的组成成分。两种分子同时存在时,生物膜中包含了加组氨酸和不加组氨酸的 CsgA 链两种成分。如果加入金纳米粒子,附加组氨酸就能“抓住”它们,形成一行行的金纳米线和能导电的网络。

      要在螺旋纤维中添加量子点,研究人员会改变细胞,让它们能产生附有SpyTag的螺旋纤维,而在量子点上涂一层 SpyCatcher(SpyTag 伴侣),它们就会结合在一起。这些细胞还能和产生组氨酸纤维的细菌一起生长,这样材料中就能同时含有量子点和金纳米粒子。

      研究人员指出,目前这种“活材料”只是简单示范。它们在未来能源领域有着广泛应用,如蓄电池、太阳能电池,还能给生物膜涂上一层酶,催化分解纤维素,把农业废弃物转变为生物燃料,其他潜在应用还有诊疗设备、组织工程支架等。