Konstruerade levande material lovar att hjälpa ansträngningar för människors hälsa, energi och miljösanering. Nu kan de byggas stora och anpassas med mindre ansträngning.

Biovetenskapsmän vid Rice University har introducerat slemliknande kolonier i centimeterskala av konstruerade bakterier som självmonterar sig från botten och upp. De kan programmeras för att suga upp föroreningar från miljön eller för att katalysera biologiska reaktioner, bland många möjliga tillämpningar.

Skapandet av autonomt konstruerade levande material – eller ELM – har varit ett mål för biovetaren Caroline Ajo-Franklin sedan långt innan hon började med Rice 2019.

"Vi gör material från bakterier som fungerar som kitt," sa Ajo-Franklin. "En av de vackra sakerna med den är hur lätt den är att göra, den behöver bara lite rörelse, lite näringsämnen och bakterier."

En studie publicerad denna vecka i Nature Communications beskriver labbets skapande av flexibla, anpassningsbara ELM:er med Caulobacter crescentus som en biologisk byggsten. Även om bakterierna själva enkelt kan genetiskt modifieras för olika processer, har det varit en lång och komplicerad process att designa dem för att själva montera dem.

Det innebar att man konstruerade bakterierna för att visa och utsöndra biopolymermatrisen som ger materialet dess form. C. crescentus uttrycker redan ett protein som täcker dess yttre membran som fjäll på en orm. Forskarna modifierade bakterierna för att uttrycka en version av det proteinet, som de kallar BUD (för bottom-up de novo, som i från grunden), med egenskaper som inte bara är gynnsamma för att bilda ELMs (dubbade BUD-ELMs) utan också tillhandahåller taggar för framtida funktionalisering.

Vi ville bevisa att det är möjligt att odla material från celler, som ett träd växer från ett frö", säger Sara Molinari, en postdoktor vid Ajo-Franklins labb och huvudförfattare till studien. "Den transformativa aspekten av ELM är att de innehåller levande celler som gör att materialet kan självmontera och självreparera vid skada. Dessutom kan de vidareutvecklas för att utföra icke-infödda funktioner, såsom att dynamiskt bearbeta externa stimuli."

Molinari, som tog sin doktorsexamen vid Rice i biovetaren Matthew Bennetts labb, sa att BUD-ELM är det mest anpassningsbara exemplet på en autonomt bildad, makroskopisk ELM. "Det visar en unik kombination av hög prestanda och hållbarhet," sa hon. "Tack vare sin modulära natur kan den fungera som en plattform för att generera många olika material."

ELM växer i en kolv på cirka 24 timmar, enligt forskarna. Först bildas en tunn hud vid luft-vattengränsytan, som såddar materialet. Konstant skakning av kolven uppmuntrar ELM att växa. När det expanderar till en tillräcklig storlek sjunker materialet till botten och växer inte längre.

"Vi fann att skakprocessen påverkar hur stort material vi får", säger medförfattaren och doktorand Robert Tesoriero Jr. . För närvarande är den ungefär lika stor som en fingernagel."

"Att komma till centimeterskala med en cell som är mindre än en mikron i storlek betyder att de tillsammans organiserar sig över fyra storleksordningar, ungefär 10 000 gånger större än en enskild cell," tillade Molinari.

Hon sa att deras funktionella material är tillräckligt robusta för att överleva i en burk på hyllan i tre veckor i rumstemperatur, vilket innebär att de kan transporteras utan kylning.

Labbet visade att BUD-ELM framgångsrikt kunde ta bort kadmium från en lösning och kunde utföra biologisk katalys, enzymatiskt reducera en elektronbärare för att oxidera glukos.

Eftersom BUD-ELM har taggar för fastsättning, sa Ajo-Franklin att det borde vara relativt enkelt att modifiera dem för optiska, elektriska, mekaniska, termiska, transport- och katalytiska tillämpningar.

"Det finns mycket utrymme att leka runt, vilket jag tycker är det roliga," sa Tesoriero.

"Den andra stora frågan är att även om vi älskar Caulobacter crescentus, är det inte det mest populära barnet på blocket," sa Ajo-Franklin. "De flesta människor har aldrig hört talas om det. Så vi är verkligen intresserade av att veta om dessa regler som vi har upptäckt i Caulobacter kan tillämpas på andra bakterier."

Hon sa att ELM:er kan vara särskilt användbara för miljösanering i miljöer med låga resurser. C. crescentus är idealisk för detta eftersom det kräver färre näringsämnen för att växa än många bakterier.

"En av mina drömmar är att använda materialet för att ta bort tungmetaller från vatten, och sedan när det når slutet av sin livstid, dra av en liten del och odla den på plats till färskt material," sa Ajo-Franklin. "Att vi kunde göra det med minimala resurser är verkligen en övertygande idé för mig."

Medförfattare till uppsatsen är doktoranden Swetha Sridhar, postdoktorn Rong Cai och labbchef Jayashree Soman från Rice, Kathleen Ryan från University of California, Berkeley, och Dong Li och Paul Ashby från Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Kalifornien. . Ajo-Franklin är professor i biovetenskap och CPRIT-forskare i cancerforskning. + Utforska vidare

Konstruera levande "ställningar" för byggmaterial