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具有合成基因电路的细菌自组装以构建具有金纳米颗粒的工作装置

杜克大学的研究人员通过使用合成基因电路对细菌进行编程,将细菌转化为有用装置的构建者。随着细菌菌落生长成半球形状,基因回路触发一种蛋白质的产生,以分布在可以募集无机材料的菌落内。当研究人员提供金纳米粒子时,该系统在细菌菌落周围形成金壳,其大小和形状可通过改变生长环境来控制。结果是可以用作压力传感器的设备,证明该过程可以创建工作设备。

具有合成基因电路的细菌自组装以构建具有金纳米颗粒的工作装置

虽然其他实验已成功使用细菌工艺生长材料,但它们完全依赖外部控制细菌生长的位置,并且仅限于二维。在这项新研究中,杜克大学的研究人员通过对细胞本身进行编程并控制其获取营养物质来证明复合结构的产生,但仍使细菌在三维空间中自由生长。该研究于10月9日在线发表在Nature Biotechnology上。

“这项技术使我们能够从单个细胞中培养出功能性装置,”杜克的Paul Ruffin Scarborough工程副教授Lingchong You说道。“从根本上说,它与编程细胞以生长整棵树没有什么不同。”

大自然充满了生命结合有机和无机化合物的例子,以制造更好的材料。软体动物生长由碳酸钙与少量有机成分交织而成的壳,导致微观结构比单独的碳酸钙强三倍。我们自己的骨头是有机胶原蛋白和由各种盐组成的无机矿物质的混合物。

利用细菌中的这种构造能力将具有优于当前制造工艺的许多优点。在自然界中,生物制造非常有效地使用原材料和能源。例如,在这种合成系统中,调整生长指令以创建不同的形状和图案在理论上可以比铸造传统制造所需的新模具或模具更便宜和更快。

“自然是制造由生活和非生物组成的结构化材料的大师,”你说。“然而,将自然界塑造成自组织模式是非常困难的。然而,这项工作是一个原则验证,并非不可能。”

遗传循环就像研究人员嵌入细菌DNA中的生物学指令。方向首先告诉细菌产生一种叫做T7 RNA聚合酶(T7RNAP)的蛋白质,然后在正反馈环路中激活它自己的表达。它还产生一种叫做AHL的小分子,它可以像信使一样扩散到环境中。

当细胞繁殖并向外生长时,小信使分子的浓度达到临界浓度阈值,从而引发另外两种称为T7溶菌酶和curli的蛋白质。前者抑制T7RNAP的产生,而后者则作为生物Velcro的一种,可以锁定在无机化合物上。

这些反馈回路的动态相互作用导致细菌菌落以圆顶形状生长,直至其用完食物。它还会导致穹顶外部的细菌产生生物魔术贴,它可以抓住研究人员提供的金纳米粒子,形成一个大小与普通雀斑相当的外壳。

研究人员通过控制其生长的多孔膜的性质,能够改变圆顶的大小和形状。例如,改变毛孔的大小或膜排斥水的程度会影响多少营养素传递到细胞,改变它们的生长模式。

“我们正在展示一种完全基于自组织原理制造三维结构的方法,”杜克公司机械工程与材料科学的Sternberg家庭教授Stefan Zauscher说。“然后将这种三维结构用作支架,以生成具有明确物理特性的设备。这种方法受到自然的启发,并且由于大自然不能单独实现这一点,我们操纵自然来做到这一点为了我们。”

为了展示他们的系统如何用于制造工作设备,研究人员使用这些混合有机/无机结构作为压力传感器。在两个基板表面上生长相同的圆顶阵列。然后将两个基板夹在一起,使得每个圆顶直接定位在另一个基板上的对应物上。

然后通过铜线将每个圆顶连接到LED灯泡。当对夹层施加压力时,圆顶相互挤压,引起变形,导致其导电性增加。这反过来导致相应的LED灯泡根据施加的压力量而变亮一定量。

“在这个实验中,我们主要关注的是压力传感器,但可以采用的方向数量巨大,”Will(Yangxiaolu)Cao说,他是You实验室的博士后助理和该论文的第一作者。“我们可以使用具有生物反应性的材料来制造生物循环。或者如果我们能够保持细菌存活,你可以想象制造能够自我修复并对环境变化做出反应的材料。”

“我们有兴趣追求的另一个方面是如何生成更复杂的模式,”你说。“细菌可以产生复杂的分支模式,我们只是不知道如何让它们自己做到这一点。”

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