Hace unos días, el equipo de investigación de Dai Zhuojun y el grupo de investigación de Liu Zhiyuan del Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen, Academia de Ciencias de China, propusieron una nueva idea de construcción para materiales vivos rápidamente reparables en el campo de materiales vivos funcionales, y transformó aún más esta idea. en una especie de materia viva. El método de combinación universal de materiales vivos se promoverá en nuevos campos de aplicación, como la fabricación inteligente y el montaje de dispositivos portátiles. Este logro es un nuevo intento del equipo de investigación por integrar la biotecnología (BT) y la tecnología de la información (TI) en el campo de la biología sintética. Los resultados de investigación relevantes se publicaron en Nature Chemical biology.
Los materiales autorreparables no son un concepto que se haya introducido en los últimos años. Una marca de ropa en los Estados Unidos lanzó anteriormente materiales de ropa que se pueden reparar automáticamente. El principio es muy simple. Es solo aumentando la fuerza del hilo, de modo que el hilo no se puede cortar después de insertar el clavo de hierro, sino que solo se separa el hilo. Sin embargo, dicho material tiene grandes limitaciones y su función de reparación ya no puede funcionar frente a grietas tales como objetos punzocortantes.
Desde entonces, los científicos han centrado su atención en los materiales de revestimiento para textiles. La proteína de la dentina anular del calamar (SRT) tiene propiedades de "autocuración". Deje caer unas gotas de agua tibia sobre el tejido recubierto de proteína SRT, luego superponga las secciones y presione durante unos 60 segundos, y las secciones se volverán a conectar.
Sin embargo, todavía hay una gran brecha entre estos materiales de autorreparación y los materiales de autorreparación que imaginamos. En resumen, tales métodos de reparación no pueden hacer que la superficie de la fractura se construya mediante autocuración. Por otro lado, los materiales proteicos purificados ya no tienen la propiedad de ser programables en células vivas.
material biológico vivo
Consiga potentes capacidades de autorreparación
El rápido desarrollo de la biología sintética ha hecho posible realizar el proceso de autocuración utilizando materiales vivos biológicos inteligentes. Los materiales vivos tradicionales proponen confiar en el crecimiento y la reproducción de microorganismos para lograr la autorreparación. Este proceso suele tardar decenas de horas o incluso días. Un tiempo de reparación tan largo limita en gran medida sus escenarios de aplicación. En este sentido, el equipo de investigación adoptó un enfoque diferente al principio de reparación y encontró un método que puede acortar considerablemente el tiempo de reparación del material.
Las moléculas de antígeno y anticuerpo tienen una cierta complementariedad en la estructura (dependiendo de las fuerzas intermoleculares para formar una unión no covalente), por lo que pueden combinarse de manera estable mediante una interacción específica en un período de tiempo muy corto. Esta fuerza de unión se puede restaurar rápidamente después de ser dañada por una fuerza externa, es decir, se puede lograr una reparación rápida. Basándose en este principio, el equipo construyó dos cepas modificadas con antígenos y nanocuerpos en sus superficies, respectivamente. Después de eso, las dos cepas se mezclaron en una cierta proporción, ya través de la rápida interacción entre antígenos y anticuerpos, un material precursor de LAMBA estable con alta capacidad de autocuración.
Dado que las propiedades de los materiales precursores de LAMBA son similares a las de los hidrogeles, los materiales de LAMBA se pueden procesar libremente en materiales con diferentes formas y propiedades mediante la combinación de técnicas tradicionales de procesamiento de materiales (como impresión 3D, microfluidos, etc.).
Materiales vivos 'programables'
Haz que los dispositivos sean más inteligentes
Los materiales calificados de autocuración también deben ser inteligentes. Una de las mayores ventajas de los materiales biológicos vivos radica en la poderosa programabilidad de los microorganismos. Por lo tanto, el equipo de investigación también exploró esto desde dos aspectos.
Por un lado, al mostrar enzimas y nanocatalizadores en la superficie de dos bacterias modificadas y luego convertirlos en materiales LAMBA, el paraoxon, el componente principal de los pesticidas, finalmente se degradó con éxito en p-aminofenol de baja toxicidad.
Por otro lado, la hidrolasa de almidón se muestra en la superficie de una bacteria y la trehalosa sintasa se expresa intracelularmente en otra bacteria, de modo que la hidrolasa de almidón convierte primero el almidón en maltosa y luego la maltosa se transporta como sustrato a otra bacteria. las bacterias se convirtieron intracelularmente en trehalosa por la trehalosa sintasa.
La capacidad de superautocuración y la capacidad de programación inteligente de los materiales LAMBA inspiraron al equipo de investigación a explorar más a fondo su aplicación en dispositivos portátiles y biosensores.
Los dispositivos portátiles pueden detectar las señales fisiológicas básicas del cuerpo humano para lograr la detección diaria de la salud, el tratamiento auxiliar de rehabilitación y otros efectos. Buenas propiedades de tracción y conductividad eléctrica son los requisitos previos para su funcionamiento normal. Después de la prueba, la conductividad eléctrica del material LAMBA puede permanecer estable incluso después de un estiramiento cíclico repetido. Y después de sufrir daños, el material LAMBA se puede reparar rápidamente para recuperar su rendimiento original en un corto período de tiempo.
La actividad neuromuscular del cuerpo humano va acompañada de la generación de señales electrofisiológicas, pudiendo utilizarse sensores electrofisiológicos para captar señales electrofisiológicas neuromusculares de distintas frecuencias. La adquisición precisa de señales eléctricas musculares se puede utilizar para evaluar el estado de salud de los músculos, por un lado, y para calcular y evaluar la intención de acción instantánea del cuerpo humano, y luego para controlar dispositivos externos, como prótesis y exoesqueletos. Los resultados experimentales muestran que el sensor electrofisiológico LAMBA flexible puede capturar con precisión la señal eléctrica del músculo y muestra una mejor relación señal-ruido que el sensor de una sola bacteria o de película delgada de oro preparado con el mismo método.
Por otro lado, como material flexible, LAMBA también tiene ventajas significativas en la fabricación de sensores de deformación. En comparación con los sensores hechos de películas de oro, los sensores de deformación LAMBA flexibles pueden responder de manera más uniforme al grado de deformación.
BT y TI en biología sintética
"Colisión" da infinitas posibilidades
En general, el equipo de investigación ha inventado un material vivo con una rápida capacidad de autocuración. Las excelentes prestaciones de este material hacen que tenga grandes perspectivas de aplicación en muchos campos. La tecnología de TI y la tecnología BT son dos tecnologías importantes que afectan el desarrollo futuro de los seres humanos. Los círculos científicos e industriales vienen reclamando la integración y la investigación cruzada de los dos campos. En el futuro, este innovador modelo de fabricación colaborativa "BT plus IT" seguramente traerá consigo una importante innovación tecnológica.
"Esperamos establecer un nuevo método para el ensamblaje de materiales vivos a través de esta investigación. Sobre la base de la bioprogramabilidad viva, mediante la introducción de teorías en la física de polímeros y la síntesis química, podemos dotar a los microorganismos de nuevas características, de modo que los materiales ensamblados tengan una rápida propiedades autocurativas También estamos impulsando otras investigaciones interesantes relacionadas, esperando y creyendo que la biología sintética puede traer infinitas posibilidades." dijo el autor correspondiente Zhuojun Dai.
Fan Chunhai, académico de la Academia de Ciencias de China y profesor de la Universidad Jiaotong de Shanghai, dijo que este trabajo ha dado un gran paso en el diseño y edición de materiales vivos. En particular, la innovadora idea de diseño dela autocuración rápida mediada por enlaces no covalentes dinámicos en la física y la química de los polímeros se usa para armar bacterias, y los sistemas clásicos acumulados en la ciencia de los polímeros se introducen en la biología sintética en todas las disciplinas. Esto también sugiere que podemos aprender y aprovechar otros excelentes sistemas de ciencia de materiales en el futuro diseño de materiales vivos.
Zhao Guoping, académico de la Academia de Ciencias de China y científico jefe del Instituto de Biología Sintética, Institutos de Tecnología Avanzada de Shenzhen, Academia de Ciencias de China, dijo que el logro se centra en el campo de los materiales funcionales vivos, desafiando el problema de la auto- curación en cuestión de minutos de los materiales vivos, lo que no se puede lograr solo con la división celular. La inspiración para resolver este problema proviene de la teoría de la formación dinámica de enlaces no covalentes y la autocuración rápida. Usando las propiedades del antígeno-anticuerpo montable en la superficie bacteriana, se ha desarrollado un material funcional que se puede ensamblar rápidamente y autocurar, realizando nuevos patrones de material programable. Vale la pena mencionar en particular que este trabajo ensambla aún más materiales vivos con una variedad de dispositivos portátiles, como sensores de señales eléctricas musculares y sensores de tensión, rompiendo los límites entre dispositivos vivos y no vivos y ampliando el marco de construcción de materiales vivos. y áreas de aplicación, este es un ejemplo de la "convergencia" de la investigación en la intersección de la biología química y la biotecnología con la ciencia de los materiales y la ciencia de la ingeniería.