Forskare vid Duke University har förvandlat bakterier till byggare av användbara enheter genom att programmera dem med en syntetisk genkrets.

När en bakteriekoloni växer till formen av en halvklot, genkretsen sätter igång produktionen av en typ av protein som distribueras inom kolonin som kan rekrytera oorganiskt material. När de förses med guldnanopartiklar av forskare, systemet bildar ett gyllene skal runt bakteriekolonin, vars storlek och form kan kontrolleras genom att förändra tillväxtmiljön.

Resultatet är en enhet som kan användas som trycksensor, bevisar att processen kan skapa fungerande enheter.

Medan andra experiment framgångsrikt har odlat material med hjälp av bakterieprocesser, de har förlitat sig helt på att externt kontrollera var bakterierna växer och har begränsats till två dimensioner. I den nya studien, forskare vid Duke demonstrerar produktionen av en sammansatt struktur genom att programmera själva cellerna och kontrollera deras tillgång till näringsämnen, men fortfarande lämnar bakterierna fria att växa i tre dimensioner.

Studien visas online den 9 oktober i Naturens bioteknik .

"Denna teknik tillåter oss att odla en funktionell enhet från en enda cell, " sa Lingchong You, Paul Ruffin Scarborough docent i teknik vid Duke. "I grunden det skiljer sig inte från att programmera en cell för att växa ett helt träd."

Naturen är full av exempel på liv som kombinerar organiska och oorganiska föreningar för att göra bättre material. Blötdjur odlar skal bestående av kalciumkarbonat sammanflätade med en liten mängd organiska komponenter, vilket resulterar i en mikrostruktur som är tre gånger segare än enbart kalciumkarbonat. Våra egna ben är en blandning av organiskt kollagen och oorganiska mineraler som består av olika salter.

Att utnyttja sådana konstruktionsförmåga i bakterier skulle ha många fördelar jämfört med nuvarande tillverkningsprocesser. I naturen, biologisk tillverkning använder råvaror och energi mycket effektivt. I detta syntetiska system, till exempel, Att justera tillväxtinstruktioner för att skapa olika former och mönster kan teoretiskt sett vara mycket billigare och snabbare än att gjuta de nya formarna eller formar som behövs för traditionell tillverkning.

"Naturen är en mästare på att tillverka strukturerade material som består av levande och icke-levande komponenter, " sa du. "Men det är utomordentligt svårt att programmera naturen för att skapa självorganiserade mönster. Detta jobb, dock, är ett principbevis på att det inte är omöjligt."

Den genetiska kretsen är som ett biologiskt paket med instruktioner som forskare bäddar in i en bakteries DNA. Anvisningarna berättar först för bakterierna att producera ett protein som kallas T7 RNA-polymeras (T7RNAP), som sedan aktiverar sitt eget uttryck i en positiv återkopplingsslinga. Den producerar också en liten molekyl som kallas AHL som kan diffundera ut i miljön som en budbärare.

När cellerna förökar sig och växer utåt, koncentrationen av den lilla budbärarmolekylen når en kritisk koncentrationströskel, utlöser produktionen av ytterligare två proteiner som kallas T7-lysozym och curli. Den förra hämmar produktionen av T7RNAP medan den senare fungerar som en slags biologisk kardborre som kan haka fast på oorganiska föreningar.

Den dynamiska interaktionen mellan dessa återkopplingsslingor gör att bakteriekolonin växer i ett kupolformat mönster tills det tar slut på mat. Det får också bakterierna på utsidan av kupolen att producera den biologiska kardborren, som griper tag i guldnanopartiklar från forskarna, bildar ett skal ungefär lika stor som din genomsnittliga fräknar.

Forskarna kunde ändra storleken och formen på kupolen genom att kontrollera egenskaperna hos det porösa membranet den växer på. Till exempel, ändra storleken på porerna eller hur mycket membranet stöter bort vatten påverkar hur många näringsämnen som passerar till cellerna, förändrar deras tillväxtmönster.

"Vi demonstrerar ett sätt att tillverka en 3D-struktur baserad helt på principen om självorganisering, "sa Stefan Zauscher, familjen Sternberg professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke. "Denna 3D-strukturen används sedan som en ställning för att generera en enhet med väldefinierade fysiska egenskaper. Detta tillvägagångssätt är inspirerat av naturen, och eftersom naturen inte gör detta på egen hand, vi har manipulerat naturen för att göra det åt oss."

För att visa hur deras system kan användas för att tillverka arbetsanordningar, forskarna använde dessa hybrida organiska/oorganiska strukturer som trycksensorer. Identiska uppsättningar av kupoler odlades på två substratytor. De två substraten placerades sedan ihop så att varje kupol placerades mittemot sin motsvarighet på det andra substratet.

Varje kupol kopplades sedan till en LED-glödlampa genom kopparledningar. När tryck applicerades på smörgåsen, kupolerna pressade in i varandra, orsakar en deformation som resulterar i en ökning av dess konduktivitet. Detta, i tur och ordning, orsakade att motsvarande LED-lampor ljusnade en viss mängd beroende på hur mycket tryck som applicerades.

"I detta experiment fokuserar vi främst på trycksensorerna, men antalet riktningar som detta kan tas i är enormt, " sa Will (Yangxiaolu) Cao, en postdoktor i You's laboratorium och första författare till uppsatsen. "Vi skulle kunna använda biologiskt känsliga material för att skapa levande kretsar. Eller om vi kunde hålla bakterierna vid liv, du kan tänka dig att göra material som kan läka sig själva och svara på miljöförändringar. "

"En annan aspekt som vi är intresserade av att följa är hur man skapar mycket mer komplexa mönster, " sa du. "Bakterier kan skapa komplexa förgreningsmönster, vi vet bara inte hur vi ska få dem att göra det själva – än."