Природа — самый эффективный строитель. С самого появления жизни существуют многочисленные примеры композитов, в которых соединены органические и неорганические материалы. Недавно учёные из университета Дьюка эффективно использовали конструкторские способности природы при создании трёхмерных материалов. В работе, опубликованной в журнале Nature Biotechnology, исследователи показали возможность запрограммировать бактерию на создание устройства, работающего как датчик давления.
Использование клеток или бактерий для выращивания материалов не является новостью, но здесь оригинален способ применения этой возможности бактерий. Прошлые попытки ограничивались двумерными структурами, и рост бактерий сильно зависел от внешних факторов. Новое исследование демонстрирует способность природы справляться с такими задачами самостоятельно.
«Природа мастерски изготовляет структурированные материалы, включающие живую и неживую материю, — поясняет профессор университета ДьюкаЛингчонг Ю. — Но чрезвычайно сложно запрограммировать природу на создание самоорганизующихся паттернов. Наша работа доказала, что это в принципе возможно.»
По существу, исследователи вписали генетическую программу (биологический набор инструкций) в ДНК бактерий. При этом образовался протеин, самовоспроизводящийся в петле положительной обратной связи, и, пока не закончилось питание, росла куполообразная колония бактерий. Также бактерии выделяли небольшие молекулы-мессенджеры, способные распространяться в окружающую среду. Достигнув критического уровня, колония начала вырабатывать ещё два протеина — один останавливал рост, другой действовал как биологическая застёжка-липучка, способная сцепляться с неорганическими материалами.
Биологические механизмы
Исследователи сумели превратить полученную гибридную структуру в датчик давления. Они дали возможность протеину-липучке зацепиться на наночастицах золота, которые образовали чешуйку размером с родинку. Затем они медной проволокой подсоединили светодиоды к идентичным «куполам», расположенным один над другим. При нажатии деформация увеличивала проводимость «куполов», и светодиоды загорались.
«В этом эксперименте мы сосредоточились на сенсорах давления, но это можно развить во многих других направлениях, — поясняет соавтор Уилл Као. -Мы можем использовать биологически активные материалы для создания живых электросхем. Если же мы сумеем сохранить бактерий живыми, можно создавать самоизлечивающиеся материалы, способные реагировать на изменения окружающей среды.» Другие исследования продемонстрировали возможность программировать клеточную ДНК, с перспективой создания основанных на ДНК компьютеров и устройств хранения информации, использующих генетический материал. Исследователи показали возможность создавать трёхмерные материалы в полностью естественном процессе. Это, по меньшей мере, даёт более эффективный и менее затратный способ производства. Размер и форму бактериального купола можно контролировать, меняя свойства пористой мембраны, на которой его выращивают.
«Мы показали один из способов создания 3-D структуры, полностью основанный на принципе самоорганизации, — сообщает исследователь Стефан Заушер. -Эта 3-D структура затем служит каркасом в формировании устройства с точно определёнными физическими свойствами. Этот подход взят от природы, и раз уж природа сама не делает такого, мы направили природу так, чтобы она сделала это для нас.»