Исследователи из Университета Райса под руководством Кэролайн Айо-Франклин (Caroline Ajo-Franklin) совершили прорыв в области создания программируемых живых материалов (engineered living materials, ELMs). Их работа, опубликованная в специальном выпуске журнала ACS Synthetic Biology, посвящена изучению взаимосвязи между генетической последовательностью, структурой и свойствами ELMs.
Основная идея заключается в том, что, внося небольшие изменения в гены, можно точно контролировать структуру ELMs и их реакцию на деформацию (растяжение, сжатие). ELMs – это материалы, состоящие из клеток, способных производить или модифицировать собственный поддерживающий матрикс. В данном исследовании основное внимание уделялось изменению белковых матриксов, то есть сетей белков, обеспечивающих структурную целостность ELMs.
Ключевым достижением стало открытие того, что даже незначительные генетические изменения могут существенно повлиять на поведение ELMs при механическом воздействии. Это открывает широкие перспективы для применения в тканевой инженерии, доставке лекарств, 3D-печати живых устройств, очистке окружающей среды и возобновляемой энергетике.
Для эксперимента ученые использовали методы синтетической биологии на бактерии Caulobacter crescentus. Ранее лаборатория Кэролайн Айо-Франклин уже модифицировала C. crescentus для производства белка BUD ("bottom-up de novo"), который помогает клеткам слипаться, образуя поддерживающий матрикс. Это позволяет бактериям формировать структуры размером до сантиметра, называемые BUD-ELMs.
В новом исследовании ученые варьировали длину сегментов белка, называемых эластиноподобными полипептидами (ELPs). Было создано три варианта с разной длиной ELPs: BUD40 (самые короткие ELPs), BUD60 (средние ELPs) и BUD80 (самые длинные ELPs).
Каждый из вариантов BUD-ELM обладал уникальными свойствами. BUD40, с самыми короткими ELPs, образовывал более толстые волокна и был самым жестким. BUD80, с самыми длинными ELPs, формировал более тонкие волокна и был менее жестким, легко разрушаясь при деформации. BUD60, содержащий ELPs средней длины, представлял собой комбинацию глобул и волокон и оказался самым прочным материалом при осциллирующем напряжении, то есть лучше всего выдерживал нагрузки и адаптировался к изменениям.
С помощью передовых методов визуализации и механических испытаний было показано, что все три варианта BUD-ELMs демонстрируют поведение, характерное для неньютоновских жидкостей (shear-thinning behavior), и содержат около 93% воды по весу, что делает их пригодными для биомедицинских применений. BUD60, благодаря своей способности выдерживать большие нагрузки и адаптироваться, особенно перспективен для 3D-печати и доставки лекарств.
Как отметила Эстер Хименес (Esther Jimenez), первый автор исследования, эта работа – одна из первых, где основное внимание уделяется созданию живых материалов «с нуля» с заданными механическими свойствами, а не просто добавлению биологических функций.
Второй автор исследования, Сеньор Карлсон Нгуен (Senior Carlson Nguyen), подчеркнул, что, определив, как конкретные генетические модификации влияют на свойства материала, ученые закладывают основу для разработки живых материалов следующего поколения.
Изображение носит иллюстративный характер
Основная идея заключается в том, что, внося небольшие изменения в гены, можно точно контролировать структуру ELMs и их реакцию на деформацию (растяжение, сжатие). ELMs – это материалы, состоящие из клеток, способных производить или модифицировать собственный поддерживающий матрикс. В данном исследовании основное внимание уделялось изменению белковых матриксов, то есть сетей белков, обеспечивающих структурную целостность ELMs.
Ключевым достижением стало открытие того, что даже незначительные генетические изменения могут существенно повлиять на поведение ELMs при механическом воздействии. Это открывает широкие перспективы для применения в тканевой инженерии, доставке лекарств, 3D-печати живых устройств, очистке окружающей среды и возобновляемой энергетике.
Для эксперимента ученые использовали методы синтетической биологии на бактерии Caulobacter crescentus. Ранее лаборатория Кэролайн Айо-Франклин уже модифицировала C. crescentus для производства белка BUD ("bottom-up de novo"), который помогает клеткам слипаться, образуя поддерживающий матрикс. Это позволяет бактериям формировать структуры размером до сантиметра, называемые BUD-ELMs.
В новом исследовании ученые варьировали длину сегментов белка, называемых эластиноподобными полипептидами (ELPs). Было создано три варианта с разной длиной ELPs: BUD40 (самые короткие ELPs), BUD60 (средние ELPs) и BUD80 (самые длинные ELPs).
Каждый из вариантов BUD-ELM обладал уникальными свойствами. BUD40, с самыми короткими ELPs, образовывал более толстые волокна и был самым жестким. BUD80, с самыми длинными ELPs, формировал более тонкие волокна и был менее жестким, легко разрушаясь при деформации. BUD60, содержащий ELPs средней длины, представлял собой комбинацию глобул и волокон и оказался самым прочным материалом при осциллирующем напряжении, то есть лучше всего выдерживал нагрузки и адаптировался к изменениям.
С помощью передовых методов визуализации и механических испытаний было показано, что все три варианта BUD-ELMs демонстрируют поведение, характерное для неньютоновских жидкостей (shear-thinning behavior), и содержат около 93% воды по весу, что делает их пригодными для биомедицинских применений. BUD60, благодаря своей способности выдерживать большие нагрузки и адаптироваться, особенно перспективен для 3D-печати и доставки лекарств.
Как отметила Эстер Хименес (Esther Jimenez), первый автор исследования, эта работа – одна из первых, где основное внимание уделяется созданию живых материалов «с нуля» с заданными механическими свойствами, а не просто добавлению биологических функций.
Второй автор исследования, Сеньор Карлсон Нгуен (Senior Carlson Nguyen), подчеркнул, что, определив, как конкретные генетические модификации влияют на свойства материала, ученые закладывают основу для разработки живых материалов следующего поколения.
