Πριν από λίγες ημέρες, η ερευνητική ομάδα του Dai Zhuojun και της ερευνητικής ομάδας του Liu Zhiyuan του Ινστιτούτου Προηγμένης Τεχνολογίας Shenzhen της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών πρότεινε μια νέα ιδέα κατασκευής για ταχέως επισκευάσιμα ζωντανά υλικά στον τομέα των ζωντανών λειτουργικών υλικών και μετέτρεψε περαιτέρω αυτή την ιδέα σε ένα είδος ζωντανού υλικού. Η καθολική μέθοδος συνδυασμού ζωντανών υλικών θα προωθηθεί σε νέους τομείς εφαρμογής, όπως η έξυπνη κατασκευή και η συναρμολόγηση φορητών συσκευών. Αυτό το επίτευγμα είναι μια νέα προσπάθεια της ερευνητικής ομάδας να ενσωματώσει τη βιοτεχνολογία (BT) και την τεχνολογία των πληροφοριών (IT) στον τομέα της συνθετικής βιολογίας. Σχετικά ερευνητικά αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο Nature Chemical biology.
Τα υλικά αυτοθεραπείας δεν είναι μια έννοια που έχει εισαχθεί τα τελευταία χρόνια. Μια μάρκα ρούχων στις Ηνωμένες Πολιτείες έχει προηγουμένως ξεκινήσει υλικά ένδυσης που μπορούν να επισκευαστούν αυτόματα. Η αρχή είναι πολύ απλή. Είναι μόνο με την αύξηση της αντοχής του νήματος, έτσι ώστε το νήμα να μην μπορεί να κοπεί μετά την εισαγωγή του σιδερένιου καρφιού, αλλά μόνο το νήμα τραβιέται. Ωστόσο, ένα τέτοιο υλικό έχει μεγάλους περιορισμούς και η λειτουργία επισκευής του δεν μπορεί πλέον να λειτουργήσει μπροστά σε σχισμές όπως τα αιχμηρά αντικείμενα.
Από τότε, οι επιστήμονες έχουν στρέψει την προσοχή τους στα υλικά επίστρωσης για υφάσματα. Η πρωτεΐνη δακτυλίου-οδοντίνης (SRT) του καλαμαριού έχει ιδιότητες «αυτοθεραπείας». Ρίξτε μερικές σταγόνες ζεστού νερού στο ύφασμα με επικάλυψη πρωτεΐνης SRT και, στη συνέχεια, επικαλύψτε τα τμήματα και πιέστε για περίπου 60 δευτερόλεπτα και τα τμήματα θα επανασυνδεθούν.
Ωστόσο, εξακολουθεί να υπάρχει ένα μεγάλο χάσμα μεταξύ τέτοιων υλικών αυτοθεραπείας και των υλικών αυτοθεραπείας που φανταζόμαστε. Εν ολίγοις, τέτοιες μέθοδοι επισκευής δεν μπορούν να κάνουν την επιφάνεια θραύσης γεφυρωμένη με αυτοθεραπεία. Από την άλλη, τα καθαρισμένα πρωτεϊνικά υλικά δεν είναι πλέον Έχει την ιδιότητα να είναι προγραμματιζόμενα σε ζωντανά κύτταρα.
ζωντανό βιολογικό υλικό
Επιτύχετε ισχυρές δυνατότητες αυτοθεραπείας
Η ταχεία ανάπτυξη της συνθετικής βιολογίας έχει καταστήσει δυνατή την πραγματοποίηση της διαδικασίας αυτοθεραπείας χρησιμοποιώντας ευφυή βιολογικά ζωντανά υλικά. Τα παραδοσιακά ζωντανά υλικά προτείνουν να βασίζονται στην ανάπτυξη και την αναπαραγωγή μικροοργανισμών για την επίτευξη αυτο-επισκευής. Αυτή η διαδικασία διαρκεί συχνά δεκάδες ώρες ή και ημέρες. Ένας τόσο μεγάλος χρόνος επισκευής περιορίζει σημαντικά τα σενάρια εφαρμογής του. Από αυτή την άποψη, η ερευνητική ομάδα υιοθέτησε μια διαφορετική προσέγγιση από την αρχή επισκευής και βρήκε μια μέθοδο που μπορεί να μειώσει σημαντικά τον χρόνο επισκευής του υλικού.
Τα μόρια αντιγόνων και αντισωμάτων έχουν μια ορισμένη συμπληρωματικότητα στη δομή (βασιζόμενα σε διαμοριακές δυνάμεις για να σχηματίσουν μη ομοιοπολική δέσμευση), έτσι ώστε να μπορούν να συνδυαστούν σταθερά με συγκεκριμένη αλληλεπίδραση σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Αυτή η δεσμευτική δύναμη μπορεί να αποκατασταθεί γρήγορα μετά από βλάβη από εξωτερική δύναμη, δηλαδή μπορεί να επιτευχθεί ταχεία επισκευή. Με βάση αυτή την αρχή, η ομάδα κατασκεύασε δύο κατασκευασμένα στελέχη με αντιγόνα και νανοσώματα που εμφανίζονται στις επιφάνειές τους, αντίστοιχα. Μετά από αυτό, τα δύο στελέχη αναμείχθηκαν σε ένα ορισμένο ποσοστό και μέσω της ταχείας αλληλεπίδρασης μεταξύ αντιγόνων και αντισωμάτων, ένα σταθερό πρόδρομο υλικό LAMBA με υψηλή ικανότητα αυτοθεραπείας.
Δεδομένου ότι οι ιδιότητες των πρόδρομων υλικών LAMBA είναι παρόμοιες με τις υδρογέλες, τα υλικά LAMBA μπορούν να μεταποιηθούν ελεύθερα σε υλικά με διαφορετικά σχήματα και ιδιότητες συνδυάζοντας παραδοσιακές τεχνικές επεξεργασίας υλικών (όπως 3D εκτύπωση, μικρορευστομηχανική κ.λπ.).
«Προγραμματιζόμενα» έμβια υλικά
Κάντε τις συσκευές πιο έξυπνες
Τα εξειδικευμένα υλικά αυτοθεραπείας πρέπει επίσης να είναι έξυπνα. Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα των ζωντανών βιολογικών υλικών έγκειται στην ισχυρή δυνατότητα προγραμματισμού των μικροοργανισμών. Ως εκ τούτου, η ερευνητική ομάδα το διερεύνησε επίσης από δύο πτυχές.
Από τη μία πλευρά, με την εμφάνιση ενζύμων και νανοκαταλυτών στην επιφάνεια δύο μηχανικών βακτηρίων και στη συνέχεια καθιστώντας τα σε υλικά LAMBA, το paraoxon, το κύριο συστατικό των φυτοφαρμάκων, τελικά αποικοδομήθηκε με επιτυχία σε χαμηλής τοξικότητας p-αμινοφαινόλη.
Από την άλλη, η υδρολάση αμύλου εμφανίζεται στην επιφάνεια ενός βακτηριδίου και η συνθάση της τρεχαλόζης εκφράζεται ενδοκυτταρικά σε άλλα βακτήρια, έτσι ώστε το άμυλο να μετατρέπεται πρώτα σε μαλτόζη από την υδρολάση αμύλου και στη συνέχεια η μαλτόζη μεταφέρεται ως υπόστρωμα σε άλλο Τα μηχανικά βακτήρια μετατράπηκαν ενδοκυτταρικά σε τρεχαλόζη με συνθάση τρεχαλόζης.
Η σούπερ ικανότητα αυτοθεραπείας και η έξυπνη ικανότητα προγραμματισμού των υλικών LAMBA ενέπνευσαν την ερευνητική ομάδα να διερευνήσει περαιτέρω την εφαρμογή της σε φορητές συσκευές και βιοαισθητήρες.
Οι φορετές συσκευές μπορούν να ανιχνεύσουν τα βασικά φυσιολογικά σήματα του ανθρώπινου σώματος για να επιτύχουν καθημερινή ανίχνευση υγείας, βοηθητική θεραπεία αποκατάστασης και άλλα αποτελέσματα. Οι καλές ιδιότητες εφελκυσμού και η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι οι προϋποθέσεις για την κανονική λειτουργία τους. Μετά τη δοκιμή, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού LAMBA μπορεί να παραμείνει σταθερή ακόμη και μετά από επαναλαμβανόμενες κυκλικές διατάσεις. Και μετά από ζημιά, το υλικό LAMBA μπορεί να επισκευαστεί γρήγορα στην αρχική του απόδοση σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Η νευρομυϊκή δραστηριότητα του ανθρώπινου σώματος συνοδεύεται από την παραγωγή ηλεκτροφυσιολογικών σημάτων και οι ηλεκτροφυσιολογικοί αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύλληψη νευρομυϊκών ηλεκτροφυσιολογικών σημάτων διαφορετικών συχνοτήτων. Η ακριβής απόκτηση μυϊκών ηλεκτρικών σημάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της κατάστασης της υγείας των μυών από τη μία πλευρά και για τον υπολογισμό και την αξιολόγηση της στιγμιαίας πρόθεσης δράσης του ανθρώπινου σώματος και στη συνέχεια για τον έλεγχο εξωτερικών συσκευών, όπως η προσθετική και οι εξωσκελετοί. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι ο εύκαμπτος ηλεκτροφυσιολογικός αισθητήρας LAMBA μπορεί να συλλάβει με ακρίβεια το ηλεκτρικό σήμα του μυός και δείχνει καλύτερη αναλογία σήματος προς θόρυβο από τα μεμονωμένα βακτήρια ή τον αισθητήρα λεπτής μεμβράνης χρυσού που παρασκευάζεται με την ίδια μέθοδο.
Από την άλλη, ως εύκαμπτο υλικό, η LAMBA έχει επίσης σημαντικά πλεονεκτήματα στην κατασκευή αισθητήρων παραμόρφωσης. Σε σύγκριση με τους αισθητήρες που κατασκευάζονται από χρυσές μεμβράνες, οι εύκαμπτοι αισθητήρες τάσης LAMBA μπορούν να ανταποκριθούν πιο ομοιόμορφα στον βαθμό παραμόρφωσης.
ΒΤ και πληροφορική στη συνθετική βιολογία
Η "σύγκρουση" δίνει άπειρες δυνατότητες
Σε γενικές γραμμές, η ερευνητική ομάδα έχει εφεύρει ένα ζωντανό υλικό με ταχεία ικανότητα αυτοθεραπείας. Η εξαιρετική απόδοση αυτού του υλικού το καθιστά να έχει εξαιρετικές προοπτικές εφαρμογής σε πολλούς τομείς. Η τεχνολογία πληροφορικής και η τεχνολογία BT είναι δύο σημαντικές τεχνολογίες που επηρεάζουν τη μελλοντική ανάπτυξη των ανθρώπων. Οι επιστημονικοί και βιομηχανικοί κύκλοι ζητούν την ολοκλήρωση και τη διασταυρούμενη έρευνα των δύο τομέων. Στο μέλλον, αυτό το καινοτόμο συνεργατικό μοντέλο κατασκευής "BT +IT" θα επιφέρει σίγουρα μια σημαντική τεχνολογική καινοτομία.
«Ελπίζουμε να καθιερώσουμε μια νέα μέθοδο για τη συναρμολόγηση των ζωντανών υλικών μέσω αυτής της έρευνας. Με βάση τον ζωντανό βιοπρογραμματισμό, εισάγοντας θεωρίες στη φυσική των πολυμερών και τη χημική σύνθεση, μπορούμε να προικίσουμε τους μικροοργανισμούς με νέα χαρακτηριστικά, έτσι ώστε τα συναρμολογημένα υλικά να έχουν ταχείες ιδιότητες αυτοθεραπείας. Προωθούμε επίσης άλλες σχετικές ενδιαφέρουσες έρευνες, αναμένοντας και πιστεύοντας ότι η συνθετική βιολογία μπορεί να φέρει άπειρες δυνατότητες."είπε ο αντίστοιχος συγγραφέας Zhuojun Dai.
Ο Fan Chunhai, ακαδημαϊκός της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Jiaotong της Σαγκάης, δήλωσε ότι αυτό το έργο έχει κάνει ένα μεγάλο βήμα στο σχεδιασμό και την επεξεργασία ζωντανών υλικών. Ειδικότερα, η καινοτόμος σχεδιαστική ιδέα τουη ταχεία αυτοθεραπεία που διαμεσολαβείται από δυναμικούς μη ομοιοπολικούς δεσμούς στη φυσική και τη χημεία των πολυμερών χρησιμοποιείται για τον εξοπλισμό των βακτηρίων και τα κλασικά συστήματα που συσσωρεύονται στην επιστήμη των πολυμερών εισάγονται στη συνθετική βιολογία σε όλους τους κλάδους. Αυτό υποδηλώνει επίσης ότι μπορούμε να μάθουμε και να αντλήσουμε από άλλα εξαιρετικά συστήματα της επιστήμης των υλικών στο μελλοντικό σχεδιασμό των ζωντανών υλικών.
Ο Zhao Guoping, ακαδημαϊκός της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και επικεφαλής επιστήμονας του Ινστιτούτου Συνθετικής Βιολογίας, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, δήλωσε ότι το επίτευγμα επικεντρώνεται στον τομέα των ζωντανών λειτουργικών υλικών, αμφισβητώντας το πρόβλημα της αυτοθεραπείας μέσα σε λίγα λεπτά από τα ζωντανά υλικά, τα οποία δεν μπορούν να επιτευχθούν μόνο με κυτταρική διαίρεση. Η έμπνευση για την επίλυση αυτού του προβλήματος προέρχεται από τη θεωρία του δυναμικού μη ομοιοπολικού σχηματισμού δεσμών και της ταχείας αυτοθεραπείας. Χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του βακτηριακού αντισώματος αντιγόνου-αντισώματος που μπορεί να τοποθετηθεί στην επιφάνεια, αναπτύχθηκε ένα λειτουργικό υλικό που μπορεί να συναρμολογηθεί γρήγορα και να αυτοθεραπευθεί, πραγματοποιώντας ένα νέο προγραμματιζόμενο υλικό. Αξίζει ιδιαίτερα να σημειωθεί ότι αυτή η εργασία συναρμολογεί περαιτέρω ζωντανά υλικά με μια ποικιλία φορητών συσκευών, όπως αισθητήρες ηλεκτρικού σήματος μυών και αισθητήρες παραμόρφωσης, σπάζοντας τα όρια μεταξύ ζωντανών και μη ζωντανών συσκευών και επεκτείνοντας το πλαίσιο κατασκευής ζωντανών υλικών. και τα πεδία εφαρμογής, αυτό είναι ένα παράδειγμα της «σύγκλισης» της έρευνας σχετικά με τη διασταύρωση της χημικής βιολογίας και της βιοτεχνολογίας με την επιστήμη των υλικών και την επιστήμη της μηχανικής.