Skaldjur som musslor och havstulpaner utsöndrar mycket klibbiga proteiner som hjälper dem att hålla fast vid stenar eller skeppsskrov, även under vattnet. Inspirerad av dessa naturliga lim, ett team av MIT-ingenjörer har designat nya material som kan användas för att reparera fartyg eller hjälpa till att läka sår och kirurgiska snitt.

För att skapa sina nya vattentäta lim, MIT-forskarna konstruerade bakterier för att producera ett hybridmaterial som innehåller naturligt klibbiga musselproteiner såväl som ett bakterieprotein som finns i biofilmer – slemmiga lager som bildas av bakterier som växer på en yta. När de kombineras, dessa proteiner bildar ännu starkare undervattenslim än de som utsöndras av musslor.

Det här projektet, beskrivs i numret av den 21 september av tidskriften Naturens nanoteknik , representerar en ny typ av tillvägagångssätt som kan utnyttjas för att syntetisera biologiska material med flera komponenter, använder bakterier som små fabriker.

"Det slutliga målet för oss är att skapa en plattform där vi kan börja bygga material som kombinerar flera olika funktionella domäner tillsammans och se om det ger oss bättre materialprestanda, säger Timothy Lu, en docent i biologisk teknik och elektroteknik och datavetenskap (EECS) och uppsatsens seniorförfattare.

Tidningens huvudförfattare är Chao Zhong, en före detta MIT postdoc som nu är vid ShanghaiTech University. Andra författare är doktoranden Thomas Gurry, doktorand Allen Cheng, senior Jordan Downey, postdoc Zhengtao Deng, och Collin Stultz, professor i EECS.

Komplexa lim

Det klibbiga ämnet som hjälper musslor att fästa på undervattensytor är tillverkat av flera proteiner som kallas musselfotsproteiner. "Många undervattensorganismer måste kunna hålla sig till saker, så de gör alla möjliga olika typer av lim som du kanske kan låna från, " säger Lu.

Forskare har tidigare konstruerat E. coli-bakterier för att producera individuella musselfotsproteiner, men dessa material fångar inte komplexiteten hos naturliga lim, säger Lu. I den nya studien, MIT-teamet ville konstruera bakterier för att producera två olika fotproteiner, kombinerat med bakterieproteiner som kallas curlifibrer – fiberproteiner som kan klumpa ihop sig och samlas till mycket större och mer komplexa maskor.

Lus team konstruerade bakterier så att de skulle producera proteiner bestående av curlifibrer bundna till antingen musselfotsprotein 3 eller musselfotsprotein 5. Efter att ha renat dessa proteiner från bakterierna, forskarna lät dem inkubera och bilda täta, fibrösa maskor. Det resulterande materialet har en regelbunden men ändå flexibel struktur som binder starkt till både torra och våta ytor.

Forskarna testade limmen med hjälp av atomkraftsmikroskopi, en teknik som sonderar ytan på ett prov med en liten spets. De fann att limmen band starkt till spetsar gjorda av tre olika material - kiseldioxid, guld, och polystyren. Lim sammansatta av lika mängder musselfotsprotein 3 och musselfotsprotein 5 bildade starkare lim än de med ett annat förhållande, eller bara ett av de två proteinerna var för sig.

Dessa lim var också starkare än naturligt förekommande mussellim, och de är de starkaste biologiskt inspirerade, proteinbaserade undervattenslim rapporterade hittills, säger forskarna.

Mer vidhäftningsstyrka

Genom att använda denna teknik, forskarna kan bara producera små mängder av limmet, så de försöker nu förbättra processen och generera större kvantiteter. De planerar också att experimentera med att lägga till några av de andra musselfotsproteinerna. "Vi försöker ta reda på om genom att lägga till andra musselfotsproteiner, vi kan öka vidhäftningsstyrkan ännu mer och förbättra materialets robusthet, " säger Lu.

Teamet planerar också att försöka skapa "levande lim" som består av filmer av bakterier som kan känna av skada på en yta och sedan reparera den genom att utsöndra ett lim.