Pochi giorni fa, il gruppo di ricerca di Dai Zhuojun e il gruppo di ricerca di Liu Zhiyuan dell'Istituto di tecnologia avanzata di Shenzhen, l'Accademia cinese delle scienze hanno proposto una nuova idea di costruzione per materiali viventi rapidamente riparabili nel campo dei materiali funzionali viventi e hanno ulteriormente trasformato questa idea in una specie di materia viva. Il metodo di combinazione di materiali viventi universali sarà promosso in nuovi campi di applicazione come la produzione intelligente e l'assemblaggio di dispositivi indossabili. Questo risultato è un nuovo tentativo da parte del gruppo di ricerca di integrare la biotecnologia (BT) e la tecnologia dell'informazione (IT) nel campo della biologia sintetica. I risultati di ricerca rilevanti sono stati pubblicati su Nature Chemical biologia.
I materiali autoriparanti non sono un concetto introdotto negli ultimi anni. Un marchio di abbigliamento negli Stati Uniti ha già lanciato materiali per abbigliamento che possono essere riparati automaticamente. Il principio è molto semplice. È solo aumentando la forza del filo, in modo che il filo non possa essere tagliato dopo aver inserito il chiodo di ferro, ma solo il filo viene staccato. Tuttavia, un tale materiale ha grandi limiti e la sua funzione di riparazione non può più funzionare di fronte a spaccature come le punte taglienti.
Da allora, gli scienziati hanno rivolto la loro attenzione ai materiali di rivestimento per tessuti. La proteina ring-dentin (SRT) del calamaro ha proprietà di "autoguarigione". Far cadere alcune gocce di acqua calda sul tessuto rivestito di proteine SRT, quindi sovrapporre le sezioni e premere per circa 60 secondi, e le sezioni si ricollegheranno.
Tuttavia, c'è ancora un grande divario tra tali materiali autorigeneranti e i materiali autorigeneranti che immaginiamo. In breve, tali metodi di riparazione non possono rendere la superficie della frattura colmata mediante autorigenerazione. D'altra parte, i materiali proteici purificati non hanno più la proprietà di essere programmabili nelle cellule viventi.
materiale biologico vivente
Ottieni potenti capacità di autoguarigione
Il rapido sviluppo della biologia sintetica ha permesso di realizzare il processo di autoguarigione utilizzando materiali viventi biologici intelligenti. I materiali viventi tradizionali propongono di fare affidamento sulla crescita e sulla riproduzione di microrganismi per ottenere l'autoriparazione. Questo processo richiede spesso decine di ore o addirittura giorni. Un tempo di riparazione così lungo limita notevolmente i suoi scenari applicativi. A questo proposito, il team di ricerca ha adottato un approccio diverso dal principio di riparazione e ha trovato un metodo che può ridurre notevolmente i tempi di riparazione del materiale.
Le molecole di antigene e di anticorpo hanno una certa complementarietà nella struttura (basata su forze intermolecolari per formare un legame non covalente), in modo che possano essere combinate stabilmente mediante interazione specifica in un periodo di tempo molto breve. Questa forza vincolante può essere ripristinata rapidamente dopo essere stata danneggiata da una forza esterna, ovvero è possibile ottenere una rapida riparazione. Sulla base di questo principio, il team ha costruito due ceppi ingegnerizzati con antigeni e nanocorpi rispettivamente visualizzati sulle loro superfici. Successivamente, i due ceppi sono stati miscelati in una certa proporzione e, attraverso la rapida interazione tra antigeni e anticorpi, un materiale precursore LAMBA stabile con un'elevata capacità di autoguarigione.
Poiché le proprietà dei materiali precursori LAMBA sono simili agli idrogel, i materiali LAMBA possono essere liberamente trasformati in materiali con forme e proprietà diverse combinando le tradizionali tecniche di lavorazione dei materiali (come la stampa 3D, la microfluidica, ecc.).
Materiali viventi 'programmabili'
Rendi i dispositivi più intelligenti
Anche i materiali auto-riparanti qualificati dovrebbero essere intelligenti. Uno dei maggiori vantaggi dei materiali biologici viventi risiede nella potente programmabilità dei microrganismi. Pertanto, il team di ricerca ha anche esplorato questo da due aspetti.
Da un lato, visualizzando enzimi e nanocatalizzatori sulla superficie di due batteri ingegnerizzati e poi trasformandoli in materiali LAMBA, il paraoxon, il componente principale dei pesticidi, è stato infine degradato con successo in p-aminofenolo a bassa tossicità.
D'altra parte, l'idrolasi dell'amido viene visualizzata sulla superficie di un batterio e la trealosio sintasi è espressa a livello intracellulare in un altro batterio, in modo che l'amido venga prima convertito in maltosio dall'idrolasi dell'amido, quindi il maltosio viene trasportato come substrato in un altro i batteri sono stati convertiti a livello intracellulare in trealosio dalla trealosio sintasi.
La super capacità di autorigenerazione e la capacità di programmazione intelligente dei materiali LAMBA hanno ispirato il team di ricerca a esplorare ulteriormente la sua applicazione nei dispositivi indossabili e nei biosensori.
I dispositivi indossabili possono rilevare i segnali fisiologici di base del corpo umano per ottenere il rilevamento della salute quotidiana, il trattamento riabilitativo ausiliario e altri effetti. Buone proprietà di trazione e conducibilità elettrica sono i prerequisiti per il loro normale funzionamento. Dopo il test, la conduttività elettrica del materiale LAMBA può rimanere stabile anche dopo ripetuti allungamenti ciclici. E dopo essere stato danneggiato, il materiale LAMBA può essere rapidamente ripristinato alle prestazioni originali in un breve periodo di tempo.
L'attività neuromuscolare del corpo umano è accompagnata dalla generazione di segnali elettrofisiologici e sensori elettrofisiologici possono essere utilizzati per catturare segnali elettrofisiologici neuromuscolari di diverse frequenze. L'accurata acquisizione dei segnali elettrici muscolari può essere utilizzata per valutare lo stato di salute dei muscoli da un lato, e per calcolare e valutare l'intenzione di azione istantanea del corpo umano, e quindi per controllare dispositivi esterni, come protesi ed esoscheletri. I risultati sperimentali mostrano che il sensore elettrofisiologico flessibile LAMBA può catturare accuratamente il segnale elettrico del muscolo e mostra un migliore rapporto segnale-rumore rispetto al singolo batterio o al sensore a film sottile d'oro preparato con lo stesso metodo.
D'altra parte, come materiale flessibile, LAMBA presenta anche vantaggi significativi nella fabbricazione di sensori di deformazione. Rispetto ai sensori realizzati con film d'oro, i sensori di deformazione LAMBA flessibili possono rispondere in modo più uniforme al grado di deformazione.
BT e IT in biologia sintetica
"Collisione" offre infinite possibilità
In generale, il team di ricerca ha inventato un materiale vivo con una rapida capacità di autoguarigione. Le eccellenti prestazioni di questo materiale gli fanno avere grandi prospettive di applicazione in molti campi. La tecnologia IT e la tecnologia BT sono due importanti tecnologie che influenzano lo sviluppo futuro degli esseri umani. Gli ambienti scientifici e industriali hanno chiesto l'integrazione e la ricerca incrociata dei due campi. In futuro, questo innovativo modello di produzione collaborativa "BT plus IT" porterà sicuramente una grande innovazione tecnologica.
"Speriamo di stabilire un nuovo metodo per l'assemblaggio di materiali viventi attraverso questa ricerca. Sulla base della bioprogrammabilità vivente, introducendo teorie nella fisica dei polimeri e nella sintesi chimica, possiamo dotare i microrganismi di nuove caratteristiche, in modo che i materiali assemblati abbiano un rapido proprietà di autoguarigione Stiamo anche promuovendo altre ricerche interessanti correlate, aspettandoci e credendo che la biologia sintetica possa portare infinite possibilità." ha detto l'autore corrispondente Zhuojun Dai.
Fan Chunhai, accademico dell'Accademia cinese delle scienze e professore all'Università Jiaotong di Shanghai, ha affermato che questo lavoro ha fatto un grande passo avanti nella progettazione e nella modifica dei materiali viventi. In particolare, l'innovativa idea progettuale dil'autoguarigione rapida mediata da legami dinamici non covalenti nella fisica e nella chimica dei polimeri viene utilizzata per armare i batteri e i sistemi classici accumulati nella scienza dei polimeri vengono introdotti nella biologia sintetica in tutte le discipline. Ciò suggerisce anche che possiamo imparare e attingere ad altri eccellenti sistemi di scienza dei materiali nella futura progettazione di materiali viventi.
Zhao Guoping, accademico dell'Accademia cinese delle scienze e capo scienziato dell'Istituto di biologia sintetica, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, ha affermato che il risultato si concentra sul campo dei materiali funzionali viventi, sfidando il problema dell'auto- guarigione in pochi minuti di materiali viventi, che non può essere raggiunta dalla sola divisione cellulare. L'ispirazione per risolvere questo problema viene dalla teoria della formazione di legami non covalenti dinamici e dell'autoguarigione rapida. Utilizzando le proprietà dell'antigene-anticorpo batterico montabile sulla superficie, è stato sviluppato un materiale funzionale che può essere rapidamente assemblato e autorigenerante, realizzando nuovi modelli di materiale programmabile. Vale in particolare la pena ricordare che questo lavoro assembla ulteriormente materiali viventi con una varietà di dispositivi indossabili, come sensori di segnale elettrico muscolare e sensori di deformazione, rompendo i confini tra dispositivi viventi e non viventi ed espandendo la struttura di costruzione dei materiali viventi. e campi di applicazione, questo è un esempio della "convergenza" della ricerca sull'intersezione della biologia chimica e delle biotecnologie con la scienza dei materiali e la scienza dell'ingegneria.