Muutama päivä sitten Dai Zhuojunin ja Liu Zhiyuanin tutkimusryhmä Shenzhen Institute of Advanced Technology, Kiinan tiedeakatemia ehdotti uutta rakennusideaa nopeasti korjattaville eläville materiaaleille elävien funktionaalisten materiaalien alalla ja muutti tämän ajatuksen edelleen eräänlaiseksi eläväksi materiaaliksi. Universaali elävän materiaalin yhdistelmämenetelmää edistetään uusille sovellusalueille, kuten puettavien laitteiden älykkääseen valmistukseen ja kokoonpanoon. Tämä saavutus on tutkimusryhmän uusi yritys integroida biotekniikka (BT) ja tietotekniikka synteettisen biologian alalla. Asiaankuuluvat tutkimustulokset julkaistiin Nature Chemical Biology -lehdessä.
Itseparantuvat materiaalit eivät ole käsite, joka on otettu käyttöön viime vuosina. Yhdysvaltalainen vaatemerkki on aiemmin lanseerannut vaatemateriaaleja, jotka voidaan korjata automaattisesti. Periaate on hyvin yksinkertainen. Se tapahtuu vain lisäämällä langan lujuutta, jotta lankaa ei voida leikata rautanaulan asettamisen jälkeen, vaan vain lanka vedetään erilleen. Tällaisella materiaalilla on kuitenkin suuria rajoituksia, ja sen korjaustoiminto ei voi enää toimia halkeamien, kuten terävien, edessä.
Sittemmin tutkijat ovat kiinnittäneet huomionsa tekstiilien päällystemateriaaleihin. Kalmarin rengas-dentiiniproteiinilla (SRT) on "itsekorjautuvia" ominaisuuksia. Pudota muutama tippa lämmintä vettä SRT-proteiinipäällysteisen tekstiilin päälle ja peitä sitten osat ja paina noin 60 sekuntia, niin osat yhdistyvät uudelleen.
Tällaisten itsekorjaavien materiaalien ja kuvittelemiemme itsekorjaavien materiaalien välillä on kuitenkin edelleen suuri kuilu. Lyhyesti sanottuna tällaiset korjausmenetelmät eivät voi tehdä murtumapinnasta itsensä paranemisen siltaamaamaa. Toisaalta puhdistetut proteiinimateriaalit eivät ole enää Onko ominaisuus olla ohjelmoitavissa elävissä soluissa.
elävä biologinen materiaali
Saavuta tehokkaat itseparannusominaisuudet
Synteettisen biologian nopea kehitys on mahdollistanut itsensä parantavan prosessin toteuttamisen älykkäiden biologisten elävien materiaalien avulla. Perinteiset elävät materiaalit ehdottavat luottavansa mikro-organismien kasvuun ja lisääntymiseen itsensä korjaamiseksi. Tämä prosessi kestää usein kymmeniä tunteja tai jopa päiviä. Tällainen pitkä korjausaika rajoittaa suuresti sen sovellusskenaarioita. Tältä osin tutkimusryhmä otti erilaisen lähestymistavan korjausperiaatteesta ja löysi menetelmän, joka voi lyhentää huomattavasti materiaalin korjausaikaa.
Antigeeni- ja vasta-ainemolekyyleillä on rakenteeltaan tietty komplementaarisuus (luottaen molekyylien välisiin voimiin ei-kovalenttisen sitoutumisen muodostamiseksi), joten ne voidaan yhdistää vakaasti spesifiseen vuorovaikutukseen hyvin lyhyessä ajassa. Tämä sidontavoima voidaan palauttaa nopeasti ulkoisen voiman vaurioitumisen jälkeen, eli nopea korjaus voidaan saavuttaa. Tämän periaatteen pohjalta tiimi rakensi kaksi suunniteltua kantaa, joiden pinnoilla oli antigeenejä ja nanolaivoja. Sen jälkeen nämä kaksi kantaa sekoitettiin tietyssä suhteessa ja antigeenien ja vasta-aineiden välisen nopean vuorovaikutuksen kautta stabiili LAMBA-esiastemateriaali, jolla oli korkea itseparantumiskyky.
Koska LAMBA-esiastemateriaalien ominaisuudet ovat samanlaisia kuin hydrogeelit, LAMBA-materiaalit voidaan käsitellä vapaasti materiaaleiksi, joilla on erilaiset muodot ja ominaisuudet, yhdistämällä perinteisiä materiaalinkäsittelytekniikoita (kuten 3D-tulostus, mikrofluidiikka jne.).
"Ohjelmoitavat" elävät materiaalit
Tee laitteista älykkäämpiä
Pätevien itsekorjaavien materiaalien tulisi myös olla älykkäitä. Yksi elävien biologisten materiaalien suurimmista eduista on mikro-organismien voimakas ohjelmoitavuus. Siksi tutkimusryhmä tutki tätä myös kahdesta näkökulmasta.
Toisaalta, näyttämällä entsyymejä ja nanokatalyyttejä kahden valmistetun bakteerin pinnalla ja tekemällä niistä sitten LAMBA-materiaaleja, paraoksoni, torjunta-aineiden pääkomponentti, hajosi lopulta onnistuneesti matalan myrkylliseksi p-aminofenoliksi.
Toisaalta tärkkelyshydrolaasi näkyy yhden bakteerin pinnalla ja trehaloosisyntaasi ilmaistaan solunsisäisesti toisessa bakteerissa, niin että tärkkelys muunnetaan ensin maltoosiksi tärkkelyshydrolaasilla, ja sitten maltoosi kuljetetaan substraattina toiseen Suunnitellut bakteerit muutettiin solunsisäisesti trehaloosiksi trehaloosisyntaasilla.
LAMBA-materiaalien super-itseparannuskyky ja älykäs ohjelmointikyky innoittivat tutkimusryhmää tutkimaan edelleen sen käyttöä puettavissa laitteissa ja biosensoreissa.
Puettavat laitteet voivat havaita ihmiskehon fysiologiset perussignaalit päivittäisen terveyden havaitsemisen, apukuntoutushoidon ja muiden vaikutusten saavuttamiseksi. Hyvät veto-ominaisuudet ja sähkönjohtavuus ovat edellytyksiä niiden normaalille toiminnalle. Testauksen jälkeen LAMBA-materiaalin sähkönjohtavuus voi pysyä vakaana myös toistuvan syklisen venytyksen jälkeen. Ja vaurioitumisen jälkeen LAMBA-materiaali voidaan korjata nopeasti alkuperäiseen suorituskykyynsä lyhyessä ajassa.
Ihmiskehon neuromuskulaariseen aktiivisuuteen liittyy elektrofysiologisten signaalien syntyminen, ja elektrofysiologisia antureita voidaan käyttää eri taajuuksien neuromuskulaaristen elektrofysiologisten signaalien sieppaamiseen. Lihasten sähköisten signaalien tarkkaa hankintaa voidaan käyttää toisaalta lihasten terveydentilan arvioimiseen ja ihmiskehon hetkellisen toimintatarkoituksen laskemiseen ja arvioimiseen ja sitten ulkoisten laitteiden, kuten proteesien ja eksoskeletonien, hallintaan. Kokeelliset tulokset osoittavat, että joustava LAMBA-elektrofysiologinen anturi pystyy sieppaamaan tarkasti lihaksen sähköisen signaalin ja näyttää paremman signaali-kohinasuhteen kuin samalla menetelmällä valmistettu yksittäinen bakteeri tai kultainen ohutkalvoanturi.
Toisaalta lamballa on joustavana materiaalina myös merkittäviä etuja venymäantureiden valmistuksessa. Kultakalvoista valmistettuihin antureihin verrattuna joustavat LAMBA-venymäanturit voivat reagoida tasaisemmin muodonmuutosasteeseen.
BT ja IT synteettisessä biologiassa
"Törmäys" antaa rajattomat mahdollisuudet
Yleensä tutkimusryhmä on keksinyt elävän materiaalin, jolla on nopea itsensä parantava kyky. Tämän materiaalin erinomainen suorituskyky tekee siitä erinomaiset sovellusnäkymät monilla aloilla. IT-tekniikka ja BT-tekniikka ovat kaksi pääteknologiaa, jotka vaikuttavat ihmisten tulevaan kehitykseen. Tieteelliset ja teolliset piirit ovat vaatineet näiden kahden alan yhdentymistä ja ristiintutkimusta. Tulevaisuudessa tämä innovatiivinen "BT+IT" -yhteistyövalmistusmalli tuo varmasti aikaan merkittävän teknologisen innovaation.
"Toivomme voivamme luoda uuden menetelmän elävien materiaalien kokoamiseen tämän tutkimuksen avulla. Elävän bioohjelmoitavuuden perusteella ottamalla käyttöön teorioita polymeerifysiikassa ja kemiallisessa synteesissä voimme antaa mikro-organismeille uusia ominaisuuksia, jotta kootuilla materiaaleilla on nopeat itsekorjautuvat ominaisuudet. Edistämme myös muita aiheeseen liittyviä mielenkiintoisia tutkimuksia odottaen ja uskoen, että synteettinen biologia voi tuoda rajattomasti mahdollisuuksia."sanoi vastaava kirjailija Zhuojun Dai.
Fan Chunhai, Kiinan tiedeakatemian akateemikko ja Shanghai Jiaotongin yliopiston professori, sanoi, että tämä työ on ottanut suuren askeleen elävien materiaalien suunnittelussa ja editoinnissa. Erityisesti innovatiivisen suunnittelun ideabakteerien aseistamiseen käytetään nopeaa itseparantumista, jota välittävät dynaamiset ei-kovalenttiset sidokset polymeerifysiikassa ja kemiassa, ja polymeeritieteessä kertyneet klassiset järjestelmät tuodaan synteettiseen biologiaan eri tieteenaloilla. Tämä viittaa myös siihen, että voimme oppia ja hyödyntää muita erinomaisia materiaalitieteen järjestelmiä elävien materiaalien tulevassa suunnittelussa.
Zhao Guoping, Kiinan tiedeakatemian akateemikko ja synteettisen biologian instituutin, Shenzhen Institutes of Advanced Technologyn, Kiinan tiedeakatemian, päätutkija, sanoi, että saavutus keskittyy elävien funktionaalisten materiaalien alaan ja haastaa itsensä parantamisen ongelman muutamassa minuutissa elävistä materiaaleista, joita ei voida saavuttaa pelkästään solujen jakautumisella. Inspiraatio tämän ongelman ratkaisemiseen tulee teoriasta dynaamisesta ei-kovalenttisesta sidoksen muodostumisesta ja nopeasta itsensä paranemisesta. Käyttämällä bakteerien pinta-asennettavan antigeeni-vasta-aineen ominaisuuksia, toiminnallista materiaalia, joka voidaan nopeasti koota ja itseparantua, on kehitetty, ymmärtäen uudet ohjelmoitavat materiaalimallit. On erityisen syytä mainita, että tämä työ kokoaa edelleen eläviä materiaaleja erilaisilla puettavilla laitteilla, kuten lihasten sähköisillä signaaliantureilla ja rasitusantureilla, rikkomalla elävien ja ei-elävien laitteiden väliset rajat ja laajentamalla elävien materiaalien rakennuskehystä. ja sovellusalueet, tämä on esimerkki tutkimuksen "lähentymisestä" kemiallisen biologian ja biotekniikan ja materiaalitieteen ja insinööritieteen risteyksestä.