Чёрные точки — это наночастицы золота, притянутые к чувствительным к давлению куполам, которые построены генетически модифицированными бактериями
В природе нередко встречаются микроструктурированные материалы, созданные с нуля. Они сочетают органику и неорганику, при этом обладают улучшенными физическими качествами. Например, раковины моллюсков представляют собой многослойные микроструктуры из карбоната кальция с небольшим количеством органики. Этот материал примерно в 1000 раз прочнее, чем обычный карбонат кальция. Наши собственные кости тоже представляют собой смесь органического коллагена и неорганических минералов. В отличие от обычных методов физического и химического производства, биологическая сборка экологична и полагается на самосборные составные блоки.
Современные достижения в синтетической биологии и производстве биоматериалов уже позволяют программировать самосборку протеинов, пептидов и цепочек ДНК. Теперь дошла очередь до электроники. Учёные сконструировали ГМО-бактерии, колонии которых формируют электронный сенсор давления (тачпад).
Один из способов создания материала, который сочетает органику и неорганику, — генетическая модификация бактерии, чтобы она управляла созданием биоплёнки, на которой происходит сборка неорганических компонентов.
В 2014 году был проведён первый опыт по самосборке амилоидных фибрилл из клеток бактерий E. coli, в результате чего получалась токопроводящая биоплёнка с электродом, который управлялся извне как электронный переключатель. Но у того метода были недостатки, например, колонию бактерий приходилось предварительно выращивать на специально структурированной 2D-поверхности. Сейчас биоинженеры из Университета Дьюка (США) использовали предыдущие наработки 2014 года и предложили новый метод, лишённых этих недостатков. Они говорят, что для выращивания устройства достаточно одной клетки, то есть единственной бактерии. После размножения и получения соответствующей команды колония бактерий самостоятельно формирует необходимые 3D-структуры, которые притянут к себе частицы золота в нужных местах — и окончательно сформируют устройство заданной функциональности (в данном случае это сенсор давления).
Производство программируемого материала с использованием ГМО-бактерии, формирующей шаблон. (a) Генная схема состоит из мутированной полимеразной РНК T7 (T7RNAP), которая активирует собственную экспрессию, а также экспрессию белков LuxR и LuxI. Белок LuxI является посредником при синтезе AHL, который способствует экспрессии T7 лизоцима, белка CsgA и флюорофора mCherry через активацию LuxR. Схема активируется путём экзогенного добавления IPTG. (b) Бактерии с curli-ворсинками могут формировать самоорганизующиеся curli-шаблоны в каждой колонии, которые служат каркасом для сборки неорганических материалов. (с) Тачпад, который регистрирует и преобразует локальные изменения давления. Форма купола представляет собой микроструктурированный материал, созданный колонией бактерий. Оранжевые линии соответствуют электропроводящим проводам, а две синие плоскости — поддерживающим поверхностям.
Как показано на схеме вверху, бактерии выполняют заложенные инструкции (программу), в результате чего создаётся куполообразная структура. Размер купола можно контролировать, изменяя размер колонии. Купол притягивает к себе наночастицу золота. Из них формируется электропроводная оболочка — контакт тачпада.
Надёжная обработка сигнала бактериологическими сенсорами давления. Показана интенсивность яркости светодиода, который светится в зависимости от силы давления на сенсор
Работоспособность тачпада проверена в лаборатории. Он нормально регистрирует не только факт давления, но и силу давления.
«Эта технология позволяет нам выращивать функциональное устройство из одной клетки, — говорит Линчон Ю (Lingchong You), адъюнкт-профессор инженерии в Университете Дьюка. — Фундаментально это не отличается от программирования клетки вырасти в дерево».
К словам профессора можно добавить, что некоторые живые клетки запрограммированы вырасти в человека, так что путём генной модификации можно создавать из одной клетки самые разнообразные системы, если правильно запрограммировать клетку и оставить её размножаться в питательной среде.
Демонстрация работы тачпада, собранного ГМО-бактериями:
Научная статья опубликована 9 октября 2017 года в журнале Nature Biotechnology (doi:10.1038/nbt.3978, pdf).
Автор: Анатолий Ализар
