Mikroskopiskt monster:Ett slumpmässigt ögonblick i labbet ledde till skapandet av polymerborstar 100 gånger den vanliga storleken. Borstarna är synliga under mikroskopet, medan polymerborstar vanligtvis detekteras med atomkraftmikroskop eller andra icke-optiska medel. Den svaga, grön linje längst ner på det här fotot är en yta som borsten har växt på. Borsten ses som en grönsvart massa som når upp till de röda prickarna från ytan. Kredit:Georgia Tech/Allison Carter
En labbdubb med ett enzym taget från bakterier har lett till skapandet av Leviathan av polymerborstar, framväxande biokompatibla material med potential att stöta bort smittsamma bakterier.
Polymerborstar är ytor som normalt är täckta med nanoskaliga borst gjorda av polymerer, spagettiliknande molekylkedjor som syntetiseras kemiskt. Men i en ny studie, ett team ledd av forskare vid Georgia Institute of Technology snubblade över en biologisk teknik för att förbättra borstarna genom att odla borsten till giganter 100 gånger den vanliga längden.
"Vi satte enzymet på en yta för att observera det för ett helt annat experiment, men vi lägger för mycket på ytan för tätt, och — bom — vi hamnade med den tjockaste, längsta polymerborste vi någonsin sett eller hört talas om, sa Jennifer Curtis, som ledde studien och är docent vid Georgia Tech's School of Physics. "De var så stora att man faktiskt kunde se dem under ett optiskt mikroskop istället för att behöva känna på dem med ett atomkraftmikroskop eller använda andra metoder som behövs för mer vanliga polymerborstar."
Forskarna avledde uppmärksamheten från den ursprungliga studien för att följa den galet stora nya borsten.
Till bakterier som tränger in på dem, borstens borst är praktiskt taget ogenomträngliga, squishy snår som håller mikrober ute i labbobservationer. Det hindrar spridningen av biofilmer, bakteriekolonier som går samman för att bilda ett segt material som gör det svårt att döda bakterierna.
Biofilmsbålverk
"Människans immunförsvar har svårt med biofilmer. Antibiotika fungerar inte särskilt bra på dem heller. Vid vattenfiltrering, biofilmer kan fastna ihärdigt, för. Om du har en hyaluronanborste på en yta, en biofilm kan inte fästa vid den, " sa Curtis.
Hyaluronan, föreningen i borsten, är en polysackarid, en kedja av sockermolekyler, och är naturligt utbredd i och runt våra celler. Det är också känt för många från dess användning i kosmetiska fuktkrämer.
Enzymet som gör hyaluronanborsten på borsten är hyaluronansyntas, och den kringgår mer tråkig kemisk syntes genom att utan ansträngning extrudera extremt långa borst. Enzymerna kan också ersätta borsten när de bryts av, något som kemiskt syntetiserade borstar inte kan göra, vilket begränsar borstarnas hållbarhet. Fortfarande, användningen av syntaset är oortodox.
"Brush människor säger, "Vad gör dessa enzymer här?" eftersom de letar efter kemi, och biologer undrar vad borsten har med biologi att göra, " sa Curtis.
Teamet publicerade den nya studien, Självregenererande gigantiska hyaluronan-polymerborstar, i journalen Naturkommunikation i december 2019. Forskningen finansierades av National Science Foundation.
Från vänster till höger:forskarna Jennifer Curtis, huvudutredare; Wenbin Wei, en före detta postdoktorand i Curtis labb, och Jessica Faubel, en forskarassistent i Curtis labb. Wei och Faubel var studiens första författare. Kredit:Georgia Tech/Allison Carter
Konstruerad E coli
Forskarna konstruerade bakterier för att producera enzymet i överflöd genom att infoga hyaluronansyntasgener från bakterien Streptococcus equisimilis i E coli sedan skördade de enzymet.
"Vi krossade bakterierna till ett gäng icke-levande klibbiga fragment och fäste sedan deras membran på ytor, och syntasen extruderade borstarna, " sa Curtis.
Enzymerna kan slås på och av, och justering av saltkoncentration eller pH i lösningen runt borstarna gör att borsten sträcker sig till en rak form eller kryper ihop sig till en tillbakadragen form. Funktionella tillsatser som antibakteriella medel kan bäddas in i penslar.
Något liknande en kateter skulle en dag kunna beläggas med borstar för att förbli bakteriefri, och tjockleken på de vickande borstarna skulle också fungera som ett smörjmedel genom att förhindra friktiv kontakt med ytan under dem. Vissa mänskliga celler som är nyckeln till läkningsprocessen kan faktiskt sjunka genom borsten, som kan ha potential för medicin.
"För ett kroniskt sår som inte läker, du kanske kan designa ett bandage som uppmuntrar ny celltillväxt men håller bakterier ute, " sa Curtis.
Biofysisk forskning
Forskarnas slumpmässiga omväg in i den gigantiska borsten har utökat möjligheterna för deras ursprungliga avsikt att studera enzymatiskt hyaluronan isolerat.
"Vi arbetar ständigt med kopplingen av biokemi, kemisk signalering, och mekanik, så att ha något som isolerar mekaniken från signaleringen så att vi kan fokusera på bara mekaniken är verkligen användbart, " sa Curtis.
