Förderung von lebenden Materialien mit präziser Kontrolle über mechanische Eigenschaften

Forscher der Rice University haben neuartige Beziehungen zwischen Sequence-Struktur-Property-Beziehungen zum Anpassung von technischen Wohnmaterialien (ELMs) aufgezeigt, die eine genauere Kontrolle über ihre Struktur ermöglichen und wie sie auf Deformationskräfte wie Dehnung oder Komprimierung reagieren.

Die Studie, die in einer Sonderausgabe von veröffentlicht wurde ACS Synthetic Biologykonzentriert sich auf die Veränderung von Proteinmatrizen, die die Netzwerke von Proteinen sind, die ULMs strukturieren. Durch die Einführung kleiner genetischer Veränderungen stellte das Team fest, dass es einen wesentlichen Unterschied in der Art und Weise ausmachen konnte, wie sich diese Materialien verhalten haben. Diese Erkenntnisse könnten Türen für Fortschritte in der Tissue -Engineering, der Arzneimittelabgabe und sogar zum 3D -Druck von Wohngeräten eröffnen.

Wir sind technische Zellen, um anpassbare Materialien mit einzigartigen Eigenschaften zu erstellen. Während die synthetische Biologie uns Tools zur Änderung dieser Eigenschaften gegeben hat, war der Zusammenhang zwischen genetischer Sequenz, Materialstruktur und Verhalten bisher weitgehend unerforscht. „

Caroline Ajo-Franklin, Professorin für Biosciences und der entsprechende Autor der Studie

Mit synthetischen Biologie -Techniken arbeitete das Team mit einem Bakterium namens Caulobacter Crescentus. Frühere Mitglieder des Labors konstruierten die Bakterien, um ein Protein namens Bud (kurz für „Bottom-up de novo“) zu produzieren, was die Zusammenklebenden von Zellen und eine unterstützende Matrix hilft. Dies ermöglichte es den Bakterien, zu Strukturen in Zentimetergröße zu wachsen, die die Gruppe Bud-Elms nennt.

Unter diesem technischen Ansatz variierte die Forscher die Länge spezifischer Proteinsegmente, die als Elastin-ähnliche Polypeptide (ELPs) bezeichnet wurden, und erstellten neue Materialien. Das Team charakterisierte das ursprüngliche Bud-Elm mit mittlerer Länge und zwei neue Varianten und entdeckte jeweils unterschiedliche Eigenschaften. Das erste Material, das Bud40 bezeichnet wurde, hatte die kürzesten ELPs und bildete dickere Fasern, die zu einem steiferen Schüttgutmaterial führten. Der zweite Typ, BUD60, hatte ELPs mit mittlerer Länge und erzeugte eine Kombination aus Kugeln und Fasern, wodurch das stärkste Material unter Deformationsoszillationsstress erzeugt wurde. Zuletzt erzeugte BUD80, das die längsten ELPs hatte, dünnere Fasern, was zu einem weniger steifen Material führte, das leicht unter Deformationsstress bricht.

Fortgeschrittene Bildgebung und mechanische Tests zeigten, dass diese Unterschiede nicht nur kosmetisch waren – sie beeinflussten auch, wie die Materialien mit Spannung umgehen und unter Druck flossen. BUD60 könnte beispielsweise mehr Kraft und besseren Veränderungen in seiner Umgebung standhalten und es ideal für Anwendungen wie 3D -Druck oder Arzneimittelabgabe.

Alle drei Materialien hatten zwei gemeinsam Medikamente auf kontrollierte Weise liefern.

„Diese Studie ist eine der ersten, die sich darauf konzentriert, lebende Materialien von Grund auf mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften zu bauen, anstatt nur biologische Funktionen hinzuzufügen“, sagte Esther Jimenez, ein Doktorand in Biosciences und Erstautor der Studie. „Indem wir kleine Änderungen an Proteinsequenzen vorgenommen haben, haben wir wertvolle Einblicke in das Entwerfen von Materialien mit spezifischen mechanischen Eigenschaften gewonnen.“

Die potenziellen Verwendungszwecke erstrecken sich über das biomedizinische Feld hinaus; Diese Selbstorganisationsmaterialien könnten für Anwendungen für Umweltreinigung oder für erneuerbare Energien wie biologisch abbaubare Strukturen oder die Nutzung natürlicher Prozesse angepasst werden, um Energie zu erzeugen.

„Diese Arbeit betont, wie wichtig es ist, Beziehungen zwischen Sequenzstruktur und Struktur zu verstehen“, sagte der Senior Carlson Nguyen, ein Major der Biosciences und zweiter Autor der Studie. „Indem wir feststellen, wie spezifische genetische Modifikationen die Materialeigenschaften beeinflussen, bauen wir eine Grundlage für die Gestaltung von lebenden Materialien der nächsten Generation auf.“

Diese Forschung wurde von einem Graduierten -Forschungsstipendium der National Science Foundation, dem Cancer Prevention and Research Institute of Texas und der Welch Foundation unterstützt.

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