Fa uns dies, l'equip d'investigació de Dai Zhuojun i el grup de recerca de Liu Zhiyuan de l'Institut de Tecnologia Avançada de Shenzhen, l'Acadèmia Xinesa de Ciències van proposar una nova idea de construcció per a materials vius que es poden reparar ràpidament en el camp dels materials funcionals vius i va transformar encara més aquesta idea. en una mena de material viu. El mètode de combinació de materials vius universals es promocionarà a nous camps d'aplicació, com ara la fabricació intel·ligent i el muntatge de dispositius portàtils. Aquest assoliment és un nou intent de l'equip de recerca d'integrar la biotecnologia (BT) i la tecnologia de la informació (TI) en el camp de la biologia sintètica. Els resultats de la investigació rellevants es van publicar a Nature Chemical biology.
Els materials d'autocuració no són un concepte que s'hagi introduït en els últims anys. Una marca de roba dels Estats Units ha llançat anteriorment materials de roba que es poden reparar automàticament. El principi és molt senzill. És només augmentant la força del fil, de manera que el fil no es pot tallar després d'introduir el clau de ferro, sinó que només es separa el fil. No obstant això, aquest material té grans limitacions i la seva funció de reparació ja no pot funcionar davant d'esquerdes com ara punxants.
Des de llavors, els científics han centrat la seva atenció en els materials de recobriment per a tèxtils. La proteïna d'anell-dentina (SRT) del calamar té propietats d'"autocuració". Deixeu caure unes gotes d'aigua tèbia sobre el tèxtil recobert de proteïnes SRT i, a continuació, superposeu les seccions i premeu durant uns 60 segons, i les seccions es tornaran a connectar.
Tanmateix, encara hi ha una gran bretxa entre aquests materials d'autocuració i els materials d'autocuració que imaginem. En resum, aquests mètodes de reparació no poden fer que la superfície de la fractura es superi mitjançant l'autocuració. D'altra banda, els materials proteics purificats ja no tenen la propietat de ser programables en cèl·lules vives.
material biològic viu
Aconseguiu poderoses capacitats d'autocuració
El ràpid desenvolupament de la biologia sintètica ha permès realitzar el procés d'autocuració mitjançant materials vius biològics intel·ligents. Els materials vius tradicionals proposen confiar en el creixement i la reproducció de microorganismes per aconseguir l'autoreparació. Aquest procés sovint triga desenes d'hores o fins i tot dies. Un temps de reparació tan llarg limita en gran mesura els seus escenaris d'aplicació. En aquest sentit, l'equip d'investigació va adoptar un enfocament diferent del principi de reparació i va trobar un mètode que pot escurçar molt el temps de reparació del material.
Les molècules d'antigen i anticossos tenen una certa complementarietat en l'estructura (depenent de forces intermoleculars per formar unió no covalent), de manera que es poden combinar de manera estable mitjançant una interacció específica en un període de temps molt curt. Aquesta força d'unió es pot restaurar ràpidament després de ser danyada per la força externa, és a dir, es pot aconseguir una reparació ràpida. Basant-se en aquest principi, l'equip va construir dues soques dissenyades amb antígens i nanocossos mostrats a les seves superfícies, respectivament. Després d'això, les dues soques es van barrejar en una certa proporció i, a través de la ràpida interacció entre antígens i anticossos, un material precursor de LAMBA estable amb una alta capacitat d'autocuració.
Com que les propietats dels materials precursors de LAMBA són similars a les dels hidrogels, els materials LAMBA es poden processar lliurement en materials amb diferents formes i propietats combinant tècniques tradicionals de processament de materials (com la impressió 3D, la microfluídica, etc.).
Materials vius 'programables'
Feu que els dispositius siguin més intel·ligents
Els materials d'autocuració qualificats també han de ser intel·ligents. Un dels majors avantatges dels materials biològics vius rau en la potent programabilitat dels microorganismes. Per tant, l'equip de recerca també ho va explorar des de dos aspectes.
D'una banda, mostrant enzims i nanocatalitzadors a la superfície de dos bacteris dissenyats i després convertint-los en materials LAMBA, el paraoxon, el component principal dels pesticides, finalment es va degradar amb èxit en p-aminofenol baix tòxic.
D'altra banda, la hidrolasa de midó es mostra a la superfície d'un bacteri i la trehalosa sintasa s'expressa intracel·lularment en un altre bacteri, de manera que el midó es converteix primer en maltosa per la hidrolasa de midó i després la maltosa es transporta com a substrat a un altre. Els bacteris es van convertir intracel·lularment en trehalosa mitjançant la trehalosa sintasa.
La capacitat súper autocurativa i la capacitat de programació intel·ligent dels materials LAMBA van inspirar l'equip d'investigació a explorar encara més la seva aplicació en dispositius portàtils i biosensors.
Els dispositius portàtils poden detectar els senyals fisiològics bàsics del cos humà per aconseguir la detecció diària de la salut, el tractament auxiliar de rehabilitació i altres efectes. Les bones propietats de tracció i la conductivitat elèctrica són els requisits previs per al seu funcionament normal. Després de la prova, la conductivitat elèctrica del material LAMBA pot romandre estable fins i tot després d'estiraments cíclics repetits. I després de danyar-se, el material LAMBA es pot reparar ràpidament al seu rendiment original en un curt període de temps.
L'activitat neuromuscular del cos humà va acompanyada de la generació de senyals electrofisiològics i es poden utilitzar sensors electrofisiològics per capturar senyals electrofisiològics neuromusculars de diferents freqüències. L'adquisició precisa de senyals elèctrics musculars es pot utilitzar per avaluar l'estat de salut dels músculs, d'una banda, i per calcular i avaluar la intenció d'acció instantània del cos humà, i després per controlar dispositius externs, com pròtesis i exoesquelets. Els resultats experimentals mostren que el sensor electrofisiològic LAMBA flexible pot capturar amb precisió el senyal elèctric del múscul i mostra una millor relació senyal-soroll que els bacteris individuals o el sensor de pel·lícula fina d'or preparat pel mateix mètode.
D'altra banda, com a material flexible, LAMBA també té avantatges importants en la fabricació de sensors de tensió. En comparació amb els sensors fets de pel·lícules d'or, els sensors de tensió LAMBA flexibles poden respondre de manera més uniforme al grau de deformació.
BT i IT en biologia sintètica
"Col·lisió" ofereix infinites possibilitats
En general, l'equip d'investigació ha inventat un material viu amb una capacitat d'autocuració ràpida. L'excel·lent rendiment d'aquest material fa que tingui grans perspectives d'aplicació en molts camps. La tecnologia informàtica i la tecnologia BT són dues tecnologies principals que afecten el desenvolupament futur dels éssers humans. Els cercles científics i industrials han reclamat la integració i la recerca creuada dels dos camps. En el futur, aquest innovador model de fabricació col·laborativa "BT plus IT" segurament suposarà una gran innovació tecnològica.
"Esperem establir un nou mètode per a l'acoblament de materials vius a través d'aquesta investigació. A partir de la bioprogramabilitat viva, introduint teories en física de polímers i síntesi química, podem dotar els microorganismes de noves característiques, de manera que els materials ensamblats tinguin Propietats d'autocuració També estem impulsant altres investigacions interessants relacionades, esperant i creient que la biologia sintètica pot aportar infinites possibilitats." va dir l'autor corresponent Zhuojun Dai.
Fan Chunhai, un acadèmic de l'Acadèmia Xinesa de Ciències i professor de la Universitat Jiaotong de Xangai, va dir que aquest treball ha donat un gran pas en el disseny i l'edició de materials vius. En particular, la idea de disseny innovadora deL'autocuració ràpida mediada per enllaços dinàmics no covalents en la física i la química dels polímers s'utilitza per armar bacteris, i els sistemes clàssics acumulats en la ciència dels polímers s'introdueixen a la biologia sintètica a través de disciplines. Això també suggereix que podem aprendre i aprofitar altres excel·lents sistemes de ciència dels materials en el futur disseny de materials vius.
Zhao Guoping, acadèmic de l'Acadèmia Xinesa de Ciències i científic en cap de l'Institut de Biologia Sintètica, Instituts de Tecnologia Avançada de Shenzhen, Acadèmia Xinesa de Ciències, va dir que l'assoliment se centra en el camp dels materials funcionals vius, desafiant el problema de l'auto- curació en qüestió de minuts dels materials vius, que no es pot aconseguir només amb la divisió cel·lular. La inspiració per resoldre aquest problema prové de la teoria de la formació dinàmica d'enllaços no covalents i la ràpida autocuració. Utilitzant les propietats de l'antigen-anticòs de muntatge superficial bacterian, s'ha desenvolupat un material funcional que es pot muntar ràpidament i autocurar-se, realitzant nous patrons de material programable. Val la pena esmentar especialment que aquest treball reuneix més materials vius amb una varietat de dispositius portàtils, com sensors de senyal elèctric muscular i sensors de tensió, trencant els límits entre dispositius vius i no vius i ampliant el marc constructiu dels materials vius. i àrees d'aplicació, aquest és un exemple de la "convergència" de la recerca sobre la intersecció de la biologia química i la biotecnologia amb la ciència dels materials i la ciència de l'enginyeria.