美國哈佛大學(xué)韋斯仿生工程研究所的一個(gè)研究小組近日開發(fā)出一種新系統(tǒng),能把生物膜改造成生產(chǎn)并修復(fù)納米材料的新平臺(tái),將來可用于污水處理、制藥、新型紡織等眾多領(lǐng)域。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然—通訊》雜志上。
生物膜是細(xì)菌及其細(xì)胞外物質(zhì)組成的群落,雖然粘滑卻極堅(jiān)固,胞外物質(zhì)由糖、蛋白質(zhì)、基因材料及其他物質(zhì)組成。在生物膜形成期間,細(xì)菌會(huì)分泌出蛋白質(zhì),在細(xì)胞外自行組裝,生成纏結(jié)在一起的纖維網(wǎng)絡(luò),并把細(xì)胞粘在一起,形成一個(gè)群落,讓細(xì)菌待在這個(gè)“大家庭”里更安全。
“現(xiàn)在大部分研究集中在怎樣除掉生物膜,而我們證明可以改造它們,讓它們形成特定數(shù)量,用于特殊用途。”論文作者、韋斯研究所中心系成員奈爾·喬希說。他們的做法是把生物膜的細(xì)胞外物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N能自我復(fù)制產(chǎn)品的平臺(tái),迅速生產(chǎn)出想要的任何材料。
研究小組開發(fā)出一種叫做BIND(連接)的蛋白質(zhì)工程系統(tǒng)。據(jù)每日科學(xué)網(wǎng)9月17日?qǐng)?bào)道,他們通過基因技術(shù)把具有特殊功能,如能粘附鋼鐵的蛋白融合在一種叫做CsgA的小蛋白上,CsgA由大腸桿菌生成,由此大腸桿菌分泌的CsgA也就有了這種粘附本領(lǐng),自行組裝成超堅(jiān)固的蛋白質(zhì)——淀粉質(zhì)納米纖維,也能粘附在鋼鐵上。淀粉質(zhì)蛋白是讓“連接”變堅(jiān)固的基本物質(zhì),能自發(fā)組成纖維,按重量計(jì)算,其強(qiáng)度比鋼鐵更高,比絲綢更堅(jiān)硬。
“這種方法用途廣泛。”喬希說。他們還證明了能把12種不同的蛋白質(zhì)融合到CsgA蛋白上,排列方式和長度豐富多樣,這意味著至少在理論上,他們能用這種技術(shù)來表現(xiàn)任何蛋白質(zhì)序列——這些蛋白質(zhì)執(zhí)行一系列功能:結(jié)合外來粒子、實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)、傳輸信號(hào)、提供結(jié)構(gòu)支撐、運(yùn)輸或存儲(chǔ)特定分子等等。他們不僅能把這些功能一個(gè)一個(gè)地設(shè)計(jì)到生物膜中,還能結(jié)合起來產(chǎn)生多功能生物膜。
利用“連接”系統(tǒng),能開一個(gè)“生物膜-合成納米纖維展覽”。生物膜將是未來的生物制造廠,大批量生產(chǎn)生物材料,并讓這些材料擁有現(xiàn)有材料所沒有的功能。“如果生物膜受損,會(huì)再生如初,因?yàn)樗鼈兪腔畹慕M織。”論文第一作者、韋斯研究所博士后皮特·納古恩說。
“微生物工廠”的概念并不新鮮,但以往只是生產(chǎn)可溶分子,如藥物或燃料,用在材料科學(xué)中還是首次。喬希說:“本質(zhì)上,我們是把細(xì)胞改編成‘建造工廠’,不僅生產(chǎn)作為‘基本磚塊’的原材料,還負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)組裝,把這些‘磚塊’建造成更高級(jí)的結(jié)構(gòu),并隨時(shí)維護(hù)修理。”
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