杜克大學(xué)的研究人員通過使用合成基因電路對細(xì)菌進(jìn)行編程，將細(xì)菌轉(zhuǎn)化為有用裝置的構(gòu)建者。隨著細(xì)菌菌落生長成半球形狀，基因回路觸發(fā)一種蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，以分布在可以募集無機材料的菌落內(nèi)。當(dāng)研究人員提供金納米粒子時，該系統(tǒng)在細(xì)菌菌落周圍形成金殼，其大小和形狀可通過改變生長環(huán)境來控制。結(jié)果是可以用作壓力傳感器的設(shè)備，證明該過程可以創(chuàng)建工作設(shè)備。

雖然其他實驗已成功使用細(xì)菌工藝生長材料，但它們完全依賴外部控制細(xì)菌生長的位置，并且僅限于二維。在這項新研究中，杜克大學(xué)的研究人員通過對細(xì)胞本身進(jìn)行編程并控制其獲取營養(yǎng)物質(zhì)來證明復(fù)合結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，但仍使細(xì)菌在三維空間中自由生長。該研究于10月9日在線發(fā)表在Nature Biotechnology上。

“這項技術(shù)使我們能夠從單個細(xì)胞中培養(yǎng)出功能性裝置，”杜克的Paul Ruffin Scarborough工程副教授Lingchong You說道。“從根本上說，它與編程細(xì)胞以生長整棵樹沒有什么不同。”

大自然充滿了生命結(jié)合有機和無機化合物的例子，以制造更好的材料。軟體動物生長由碳酸鈣與少量有機成分交織而成的殼，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)比單獨的碳酸鈣強三倍。我們自己的骨頭是有機膠原蛋白和由各種鹽組成的無機礦物質(zhì)的混合物。

利用細(xì)菌中的這種構(gòu)造能力將具有優(yōu)于當(dāng)前制造工藝的許多優(yōu)點。在自然界中，生物制造非常有效地使用原材料和能源。例如，在這種合成系統(tǒng)中，調(diào)整生長指令以創(chuàng)建不同的形狀和圖案在理論上可以比鑄造傳統(tǒng)制造所需的新模具或模具更便宜和更快。

“自然是制造由生活和非生物組成的結(jié)構(gòu)化材料的大師，”你說。“然而，將自然界塑造成自組織模式是非常困難的。然而，這項工作是一個原則驗證，并非不可能。”

遺傳循環(huán)就像研究人員嵌入細(xì)菌DNA中的生物學(xué)指令。方向首先告訴細(xì)菌產(chǎn)生一種叫做T7 RNA聚合酶(T7RNAP)的蛋白質(zhì)，然后在正反饋環(huán)路中激活它自己的表達(dá)。它還產(chǎn)生一種叫做AHL的小分子，它可以像信使一樣擴散到環(huán)境中。

當(dāng)細(xì)胞繁殖并向外生長時，小信使分子的濃度達(dá)到臨界濃度閾值，從而引發(fā)另外兩種稱為T7溶菌酶和curli的蛋白質(zhì)。前者抑制T7RNAP的產(chǎn)生，而后者則作為生物Velcro的一種，可以鎖定在無機化合物上。

這些反饋回路的動態(tài)相互作用導(dǎo)致細(xì)菌菌落以圓頂形狀生長，直至其用完食物。它還會導(dǎo)致穹頂外部的細(xì)菌產(chǎn)生生物魔術(shù)貼，它可以抓住研究人員提供的金納米粒子，形成一個大小與普通雀斑相當(dāng)?shù)耐鈿ぁ?/p>

研究人員通過控制其生長的多孔膜的性質(zhì)，能夠改變圓頂?shù)拇笮『托螤?。例如，改變毛孔的大小或膜排斥水的程度會影響多少營養(yǎng)素傳遞到細(xì)胞，改變它們的生長模式。

“我們正在展示一種完全基于自組織原理制造三維結(jié)構(gòu)的方法，”杜克公司機械工程與材料科學(xué)的Sternberg家庭教授Stefan Zauscher說。“然后將這種三維結(jié)構(gòu)用作支架，以生成具有明確物理特性的設(shè)備。這種方法受到自然的啟發(fā)，并且由于大自然不能單獨實現(xiàn)這一點，我們操縱自然來做到這一點為了我們。”

為了展示他們的系統(tǒng)如何用于制造工作設(shè)備，研究人員使用這些混合有機/無機結(jié)構(gòu)作為壓力傳感器。在兩個基板表面上生長相同的圓頂陣列。然后將兩個基板夾在一起，使得每個圓頂直接定位在另一個基板上的對應(yīng)物上。

然后通過銅線將每個圓頂連接到LED燈泡。當(dāng)對夾層施加壓力時，圓頂相互擠壓，引起變形，導(dǎo)致其導(dǎo)電性增加。這反過來導(dǎo)致相應(yīng)的LED燈泡根據(jù)施加的壓力量而變亮一定量。

“在這個實驗中，我們主要關(guān)注的是壓力傳感器，但可以采用的方向數(shù)量巨大，”Will(Yangxiaolu)Cao說，他是You實驗室的博士后助理和該論文的第一作者。“我們可以使用具有生物反應(yīng)性的材料來制造生物循環(huán)?；蛘呷绻覀兡軌虮３旨?xì)菌存活，你可以想象制造能夠自我修復(fù)并對環(huán)境變化做出反應(yīng)的材料。”

“我們有興趣追求的另一個方面是如何生成更復(fù)雜的模式，”你說。“細(xì)菌可以產(chǎn)生復(fù)雜的分支模式，我們只是不知道如何讓它們自己做到這一點。”