Rice University-forskere har afsløret nye forhold mellem sekvensstruktur-struktur-ejendom til tilpasning af konstruerede levende materialer (ELM), hvilket muliggør mere præcis kontrol over deres struktur og hvordan de reagerer på deformationskræfter som strækning eller komprimering.
Undersøgelsen, der blev offentliggjort i en særlig udgave af ACS syntetisk biologifokuserer på at ændre proteinmatrixer, som er netværk af proteiner, der giver struktur til ELM’er. Ved at introducere små genetiske ændringer opdagede teamet, at de kunne gøre en væsentlig forskel i, hvordan disse materialer opførte sig. Disse fund kunne åbne døre for fremskridt inden for vævsteknik, lægemiddelafgivelse og endda 3D -udskrivning af levende enheder.
“Vi er ingeniørceller til at skabe tilpassede materialer med unikke egenskaber,” sagde Caroline Ajo-Franklin, professor i biovidenskaber og undersøgelsens tilsvarende forfatter. “Mens syntetisk biologi har givet os værktøjer til at finpusse disse egenskaber, er forbindelsen mellem genetisk sekvens, materialestruktur og opførsel stort set uudforsket indtil nu.”
Ved hjælp af syntetiske biologiteknikker arbejdede teamet med en bakterie kaldet Caulobacter Crescentus. Tidligere medlemmer af laboratoriet konstruerede bakterierne til at producere et protein kaldet Bud (forkortelse for “bottom-up de novo”), som hjælper celler med at klæbe sammen og danne en støttende matrix. Dette gjorde det muligt for bakterierne at vokse til strukturer i centimeterstørrelse, som gruppen kalder Bud-ELMS.
Ved at anvende denne tekniske tilgang varierede forskerne længden af specifikke proteinsegmenter kaldet elastinlignende polypeptider (ELP’er) og skabte nye materialer. Holdet karakteriserede den originale midtlængde Bud-ELM og to nye varianter og opdagede, at hver udviste forskellige egenskaber.
Det første materiale, kaldet Bud40havde de korteste ELP’er og dannede tykkere fibre, der resulterede i et stivere bulkmateriale. Den anden type, bud60havde midtlængde ELP’er og skabt en kombination af kugler og fibre, hvilket producerede det stærkeste materiale under deformationsoscillationsstress. Endelig knopp80der havde de længste ELP’er, genererede tyndere fibre, hvilket resulterede i et mindre stift materiale, der let bryder under deformationsstress.
Avancerede billeddannelse og mekaniske tests viste, at disse forskelle ikke kun var kosmetiske – de påvirkede også, hvordan materialerne håndterede stress og flød under pres. KNOP60kunne for eksempel modstå mere kraft og tilpasse sig bedre til ændringer i dets miljø, hvilket gør det ideelt til applikationer som 3D -udskrivning eller lægemiddelafgivelse.
Alle tre materialer havde to ting til fælles: De udviste forskydningsfortyndende opførsel og holdt en masse vand-ca. 93% af deres vægt-hvilket gør dem godt egnede til biomedicinske anvendelser, såsom stilladser til støtte for cellevækst i vævsteknik eller systemer til leverer medicin på en kontrolleret måde.
“Denne undersøgelse er en af de første til at fokusere på at bygge levende materialer fra bunden af med skræddersyede mekaniske egenskaber snarere end bare at tilføje biologiske funktioner,” sagde Esther Jimenez, en kandidatstuderende i biovidenskaber og første forfatter af undersøgelsen. “Ved at lave små justeringer til proteinsekvenser har vi fået værdifuld indsigt i, hvordan man designer materialer med specifikke mekaniske egenskaber.”
De potentielle anvendelser strækker sig ud over det biomedicinske felt; Disse selvmonterende materialer kunne tilpasses til miljømæssig oprydning eller applikationer til vedvarende energi som at bygge bionedbrydelige strukturer eller udnytte naturlige processer for at generere energi.
“Dette arbejde understreger vigtigheden af at forstå forholdet mellem sekvensstruktur og forhold,” sagde senior Carlson Nguyen, en Biosciences major og anden forfatter af undersøgelsen. “Ved at identificere, hvordan specifikke genetiske ændringer påvirker materielle egenskaber, bygger vi et fundament til design af næste generations levende materialer.”