Чёрные точки — это наночастицы золота, притянутые к чувствительным к давлению куполам, которые построены генетически модифицированными бактериями
В природе нередко встречаются микроструктурированные материалы, созданные с нуля. Они сочетают органику и неорганику, при этом обладают улучшенными физическими качествами. Например, раковины моллюсков представляют собой многослойные микроструктуры из карбоната кальция с небольшим количеством органики. Этот материал примерно в 1000 раз прочнее, чем обычный карбонат кальция. Наши собственные кости тоже представляют собой смесь органического коллагена и неорганических минералов. В отличие от обычных методов физического и химического производства, биологическая сборка экологична и полагается на самосборные составные блоки.
Современные достижения в синтетической биологии и производстве биоматериалов уже позволяют программировать самосборку протеинов, пептидов и цепочек ДНК. Теперь дошла очередь до электроники. Учёные сконструировали ГМО-бактерии, колонии которых формируют электронный сенсор давления (тачпад).
Один из способов создания материала, который сочетает органику и неорганику, — генетическая модификация бактерии, чтобы она управляла созданием биоплёнки, на которой происходит сборка неорганических компонентов.
В 2014 году был проведён первый опыт по самосборке амилоидных фибрилл из клеток бактерий E. coli, в результате чего получалась токопроводящая биоплёнка с электродом, который управлялся извне как электронный переключатель. Но у того метода были недостатки, например, колонию бактерий приходилось предварительно выращивать на специально структурированной 2D-поверхности. Сейчас биоинженеры из Университета Дьюка (США) использовали предыдущие наработки 2014 года и предложили новый метод, лишённых этих недостатков. Они говорят, что для выращивания устройства достаточно одной клетки, то есть единственной бактерии. После размножения и получения соответствующей команды колония бактерий самостоятельно формирует необходимые 3D-структуры, которые притянут к себе частицы золота в нужных местах — и окончательно сформируют устройство заданной функциональности (в данном случае это сенсор давления).
Производство программируемого материала с использованием ГМО-бактерии, формирующей шаблон. (a) Генная схема состоит из мутированной полимеразной РНК T7 (T7RNAP), которая активирует собственную экспрессию, а также экспрессию белков LuxR и LuxI. Белок LuxI является посредником при синтезе AHL, который способствует экспрессии T7 лизоцима, белка CsgA и флюорофора mCherry через активацию LuxR. Схема активируется путём экзогенного добавления IPTG. (b) Бактерии с curli-ворсинками могут формировать самоорганизующиеся curli-шаблоны в каждой колонии, которые служат каркасом для сборки неорганических материалов. (с) Тачпад, который регистрирует и преобразует локальные изменения давления. Форма купола представляет собой микроструктурированный материал, созданный колонией бактерий. Оранжевые линии соответствуют электропроводящим проводам, а две синие плоскости — поддерживающим поверхностям.
Как показано на схеме вверху, бактерии выполняют заложенные инструкции (программу), в результате чего создаётся куполообразная структура. Размер купола можно контролировать, изменяя размер колонии. Купол притягивает к себе наночастицу золота. Из них формируется электропроводная оболочка — контакт тачпада.
Надёжная обработка сигнала бактериологическими сенсорами давления. Показана интенсивность яркости светодиода, который светится в зависимости от силы давления на сенсор
Работоспособность тачпада проверена в лаборатории. Он нормально регистрирует не только факт давления, но и силу давления.
«Эта технология позволяет нам выращивать функциональное устройство из одной клетки, — говорит Линчон Ю (Lingchong You), адъюнкт-профессор инженерии в Университете Дьюка. — Фундаментально это не отличается от программирования клетки вырасти в дерево».
К словам профессора можно добавить, что некоторые живые клетки запрограммированы вырасти в человека, так что путём генной модификации можно создавать из одной клетки самые разнообразные системы, если правильно запрограммировать клетку и оставить её размножаться в питательной среде.
Демонстрация работы тачпада, собранного ГМО-бактериями:
Научная статья опубликована 9 октября 2017 года в журнале Nature Biotechnology (doi:10.1038/nbt.3978, pdf).
Комментарии (21)
Alozar
10.10.2017 18:48+2Раньше было «вырасти себе дерево в баночке», а через какое-то время будет «вырасти себе клавиатуру в баночке»
BlackMokona
10.10.2017 19:24+3Глубокое будущие, системный администратор в баночке, просто добавь воды.
Wizard_of_light
10.10.2017 21:47+4Ага, и созревающий роутер на одичавшем кабеле, обвивающим изгородь.
HeaKass
10.10.2017 23:01+3Я микробиолог, но честно говоря, совершенно не поняла, как собирается тачпад. Да, гены, да, активируемая экспрессия — это стандартное начало. А дальше-то что? Экспрессия неких генов приведет к хаотическому производству неких белков внутри тела бактерии. Как они выстраивают структуру, которая по размеру больше не только самой бактерии, но и обычного размера колонии бактерий?
Вначале статья очень заинетересовала, но от интереса осталось только разочарование. Такое объяснение процесса хорошо бы смотрелось на новостях мэйл.ру, а не здесь.
artemerschow
11.10.2017 00:38+1За то два раза повторили, что колонию бактерий можно получить из одной бактерии.
И да. Заключительная фраза про «некоторые клетки запрограммированы вырасти в человека, так что если...» настолько попсовая, что просто зубы сводит.HeaKass
11.10.2017 10:08«Некоторые живые клетки запрограммированы вырасти в человека, так что путём генной модификации можно создавать из одной клетки самые разнообразные системы, если правильно запрограммировать клетку и оставить её размножаться в питательной среде»
Клетки бактерий уж точно не «запрограммированы вырасти в человека». Разве что спустя 3,5 млрд. лет, и то при крайне удачном стечении обстоятельств. Ну или автор статьи — бог. Тогда снимаю шляпу и молчу.artemerschow
11.10.2017 10:12Мне кажется, что тут, всё таки, автор имел в виду эмбриональные клетки. Хотя я тоже долго не мог понять.
Ark_V
11.10.2017 07:21А почему вы говорите что структура больше колонии бактерий? Разве колония на может иметь размер в ~1 см?, А куполообразность структуры всего лишь следствием однородности среды?
HeaKass
11.10.2017 08:35+1Могу предположить, что имеется в виду, что они просто обрастают некий уже готовый купол, полный питательного субстрата для бактерий, как лепешка сверху. Для этого «программировать» ничего не надо, нужно питательной дрянью намазать сверху этот купол. Колония бактерий может быть достаточно большой, вопрос в том, что они при этом создают что-то еще.
Вопрос — как это связано с формированием тачпада. Куча бактерий покрыла собой некий купол, размножается себе. И тут вдруг «купол притягивает к себе наночастицу золота». Как? Бактерии золото к себе не притягивают, иначе мы бы тут все озолотились давно.
shadrap
11.10.2017 20:42+1Я не знаю, откуда автор взял этот текст для перевода, но в изначальной статье на пабмеде все довольно логично. Касаемо золота — они взяли модифицированную плазмиду экспрессирующую CsgA со способностью к адгезии к неорганическим соединениям, затем пересадили в И-колай, модифицировали курли, в частности CsgA\CsgВ экспрессию, одно выключили, другое включили. В результате получили экспрессию внеклеточного матрикса у И-коли, способного адгезировать нано-частицы золота. Почму именно золота- там есть свое объяснение, не хочу мучить народ формулами, но пробовали и кадмиевые покрытия.
Насчет 3Д структуры — вначале, посредством струйного напыления, создали 2х мерную структуру, которая в теченнии 30 часов, посредством контролируемой програмно экспрессии, вырастала в 3х мерную. Первичная колония росла, как положено — на агаре. Проще говоря, они ограничивали 2хмерный рост, позволяя им расти только в 3Д.HeaKass
11.10.2017 20:57Ах черт вас дери, закончила читать статью, пришла сделать коммент — и тут ваш.
Ну ладно, так все и было в оригинале.
Резюме — статья хорошая, перевод ужасный.
HeaKass
11.10.2017 09:13И таки обычно даже колонии бактерий достаточно небольшие. На твердом дрожжевом агаре вырастают колонии в среднем 1-5 мм. Конечно, бывают и исключения, некоторые растут довольно большими. Но это специфический признак, по нему можно примерно прикинуть систематическое положение бактерий. Надо тогда указывать, какой штамм.
Gryphon88
11.10.2017 13:06Если растить в матрасе на твердых средах, то колонии обычно небольшие, но при ращении на полужидких, коллоидных и жидких средах, в круглом вращающемся матрасе (забыл, как он правильно называется), или в плоском на качалке, размер колонии сильно больше, меньше конкуренция и отравление внутри колонии.
Хотя и из исходной статьи я тоже ничего толком не понял, повторить не смогу точно.HeaKass
11.10.2017 15:45Совершенно верно, жидкие культуры могут давать много клеток, но тогда о форме речь не идет. Надо почитать этот оригинальный pdf, может быть, перевод неудачный.
alexzzam
11.10.2017 15:21Насколько я понял, куполам этим и не нужно быть большими. То есть, из одной клетки в питательной среде растят круглую колонию, потом она как-то надувается в купол, потом эта кучка бактерий осаждает на себя золотинки из раствора. Дальше предполагаю, получается упругий микро-бугорок из э… мёртвых бактерий? Бугорок покрыт токопроводящим слоем. Если взять две пластинки с такими бугорками и приложить друг к другу, площадь контакта будет зависеть от силы нажатия. Получается тачпад.
Akon32
11.10.2017 15:26Я не биолог, но предполагаю, что возможен механизм как в игре CellLab: клетка делится например "снизу-вверх", полученные клетки немного меняют направление деления, и остаются склеенными. В результате "организм" может иметь сложную структуру. Не могу сказать, насколько игра соответствует реальности.
Ну или автор статьи — бог.
CellLab наводит на мысли, что в принципе понятно как сотворить/спроектировать требуемый организм, но это очень, очень сложно (и опасно, т.к. у нас та же "платформа"). Думаю, искусственно спроектированные организмы — не за горами.
TheCradle
Ох, как же прекрасно то, что мы с вами живём в такое время!