När insidan av ett blötdjursskal skimrar i solljus, irisensen produceras inte av färgade pigment utan av små fysiska strukturer som är självmonterade från levande celler och oorganiska komponenter. Nu, ett team av forskare vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat en plattform för att efterlikna denna självmonterande förmåga genom att konstruera levande celler för att fungera som utgångspunkt för att bygga kompositmaterial.

Konstruerade levande material (ELM) använder levande celler som "materialställningar" och är en ny klass av material som kan öppna dörren till självläkande material och andra avancerade tillämpningar inom bioelektronik, biosensing, och smarta material. Sådana material skulle kunna efterlikna framväxande egenskaper som finns i naturen - där ett komplext system har egenskaper som de enskilda komponenterna inte har - som iriscens eller styrka.

Att låna från denna komplexitet sett i naturen, forskarna från Berkeley Lab konstruerade en bakterie som kan fästa ett brett spektrum av nanomaterial till sin cellyta. De kan också exakt kontrollera sminket och hur tätt packade komponenterna är, skapa ett stabilt hybrid levande material. Studien som beskriver deras arbete publicerades nyligen i ACS syntetisk biologi .

"Eftersom hierarkisk ordning ligger bakom egenskaperna hos många biokompositmaterial, att kunna reglera avståndet mellan olika komponenter i flera dimensioner är nyckeln till att designa förutsägbara ELM, sa Caroline Ajo-Franklin, en forskare från Berkeley Labs Molecular Foundry som ledde studien. "Vår nya plattform erbjuder en mångsidig utgångspunkt som öppnar ett brett utbud av nya möjligheter för att konstruera ELM."

Både naturliga strukturer och de ELM som de inspirerar till består av hierarkiska materialmönster. Detta innebär att för ett material som är tillverkat av byggstenar av regelbunden storlek, varje stort block är gjort av mindre block, och vart och ett av de mindre blocken är gjorda av ännu mindre bitar. Till exempel, blötdjur bygger sina skal av supertunna "blodplättar" bara 500 nanometer tjocka, och varje blodplätt är gjord av miljontals små nanokorn med en diameter på bara 30 nanometer.

För att kontrollera självmonteringen av dessa typer av strukturer på ytan av levande celler, Ajo-Franklin och hennes team drog fördel av ytskiktsproteiner (S-Layer) för att bilda ordnade, arkliknande strukturer på ytan av många mikrober. "Det är skillnaden mellan att bygga en grund av ett solidt ark som överensstämmer med cellytan kontra en oordnad uppsättning strängar, sa Ajo-Franklin, som också har en gemensam utnämning i Berkeley Labs avdelning för molekylär biofysik och integrerad bioavbildning inom biovetenskapsområdet.

Forskarna valde bakterien Caulobacter crescentus eftersom den kan överleva låga näringsämnen och låg syrehalt, och dess S-lagerprotein, RsaA, eftersom det är mycket väl studerat. Teamet konstruerade RsaA med ett biologiskt "lås och nyckel"-system för att exakt kontrollera var och hur tätt material fäster på cellytan.

"Vi byggde en uppsättning bakterier som irreversibelt kan fästa en mängd olika hårda eller mjuka material som biopolymerer eller halvledande nanopartiklar till cellytan utan att skada cellerna, sa Marimikel Charrier, vetenskaplig ingenjörsassistent och huvudförfattare till studien. "Denna levande byggsats är ett grundläggande första steg mot att skapa självmonterande, självläkande, hybridbiomaterial."