Alguns dias atrás, a equipe de pesquisa do grupo de pesquisa de Dai Zhuojun e Liu Zhiyuan do Instituto de Tecnologia Avançada de Shenzhen, Academia Chinesa de Ciências propôs uma nova ideia de construção para materiais vivos rapidamente reparáveis no campo de materiais funcionais vivos e transformou ainda mais essa ideia em uma espécie de material vivo. O método universal de combinação de materiais vivos será promovido a novos campos de aplicação, como fabricação inteligente e montagem de dispositivos vestíveis. Essa conquista é uma nova tentativa da equipe de pesquisa de integrar a biotecnologia (BT) e a tecnologia da informação (TI) no campo da biologia sintética. Resultados de pesquisas relevantes foram publicados na revista Nature Chemical.
Materiais auto-regenerativos não são um conceito que foi introduzido nos últimos anos. Uma marca de roupas nos Estados Unidos lançou anteriormente materiais de vestuário que podem ser reparados automaticamente. O princípio é muito simples. É apenas aumentando a força do fio, de modo que o fio não pode ser cortado após a inserção do prego de ferro, mas apenas o fio é separado. No entanto, tal material possui grandes limitações, e sua função de reparo não pode mais funcionar diante de rachaduras como perfurocortantes.
Desde então, os cientistas voltaram sua atenção para materiais de revestimento para têxteis. A proteína de dentina em anel (SRT) da lula tem propriedades de "autocura". Coloque algumas gotas de água morna no tecido revestido de proteína SRT e, em seguida, sobreponha as seções e pressione por cerca de 60 segundos, e as seções serão reconectadas.
No entanto, ainda há uma grande lacuna entre esses materiais de autocura e os materiais de autocura que imaginamos. Em suma, esses métodos de reparo não podem fazer a superfície da fratura ser unida por autocura. Por outro lado, os materiais proteicos purificados não são mais programáveis em células vivas.
material biológico vivo
Obtenha recursos poderosos de autocura
O rápido desenvolvimento da biologia sintética tornou possível realizar o processo de autocura usando materiais vivos biológicos inteligentes. Os materiais vivos tradicionais propõem contar com o crescimento e reprodução de microorganismos para alcançar o auto-reparo. Esse processo geralmente leva dezenas de horas ou até dias. Um tempo de reparo tão longo limita muito seus cenários de aplicação. A esse respeito, a equipe de pesquisa adotou uma abordagem diferente do princípio de reparo e encontrou um método que pode reduzir bastante o tempo de reparo do material.
As moléculas de antígeno e anticorpo têm uma certa complementaridade na estrutura (dependendo de forças intermoleculares para formar ligações não covalentes), de modo que podem ser combinadas de forma estável por interação específica em um período de tempo muito curto. Essa força de ligação pode ser restaurada rapidamente após ser danificada por força externa, ou seja, pode ser alcançada uma reparação rápida. Com base nesse princípio, a equipe construiu duas cepas projetadas com antígenos e nanocorpos exibidos em suas superfícies, respectivamente. Depois disso, as duas cepas foram misturadas em certa proporção, e através da rápida interação entre antígenos e anticorpos, um material precursor de LAMBA estável com alta capacidade de autocura.
Como as propriedades dos materiais precursores LAMBA são semelhantes aos hidrogéis, os materiais LAMBA podem ser processados livremente em materiais com diferentes formas e propriedades combinando técnicas tradicionais de processamento de materiais (como impressão 3D, microfluídica, etc.).
Materiais vivos 'programáveis'
Torne os dispositivos mais inteligentes
Materiais de autocura qualificados também devem ser inteligentes. Uma das maiores vantagens dos materiais biológicos vivos reside na poderosa programabilidade dos microrganismos. Portanto, a equipe de pesquisa também explorou isso a partir de dois aspectos.
Por um lado, ao exibir enzimas e nanocatalisadores na superfície de duas bactérias engenheiradas e, em seguida, transformá-los em materiais LAMBA, o paraoxon, o principal componente dos pesticidas, foi finalmente degradado com sucesso em p-aminofenol de baixa toxicidade.
Por outro lado, a hidrolase de amido é exibida na superfície de uma bactéria e a sintase de trealose é expressa intracelularmente em outra bactéria, de modo que o amido é primeiro convertido em maltose pela hidrolase de amido e, em seguida, a maltose é transportada como substrato para outra. as bactérias foram convertidas intracelularmente em trealose pela trealose sintase.
A capacidade de super autocura e a capacidade de programação inteligente dos materiais LAMBA inspiraram a equipe de pesquisa a explorar ainda mais sua aplicação em dispositivos vestíveis e biossensores.
Dispositivos vestíveis podem detectar os sinais fisiológicos básicos do corpo humano para alcançar a detecção diária da saúde, tratamento auxiliar de reabilitação e outros efeitos. Boas propriedades de tração e condutividade elétrica são os pré-requisitos para sua operação normal. Após o teste, a condutividade elétrica do material LAMBA pode permanecer estável mesmo após repetidos alongamentos cíclicos. E depois de danificado, o material LAMBA pode ser rapidamente reparado ao seu desempenho original em um curto período de tempo.
A atividade neuromuscular do corpo humano é acompanhada pela geração de sinais eletrofisiológicos, e sensores eletrofisiológicos podem ser utilizados para captar sinais eletrofisiológicos neuromusculares de diferentes frequências. A aquisição precisa de sinais elétricos musculares pode ser usada para avaliar o estado de saúde dos músculos, por um lado, e para calcular e avaliar a intenção de ação instantânea do corpo humano e, em seguida, controlar dispositivos externos, como próteses e exoesqueletos. Os resultados experimentais mostram que o sensor eletrofisiológico flexível LAMBA pode capturar com precisão o sinal elétrico do músculo e apresenta uma melhor relação sinal-ruído do que o sensor de filme fino de bactéria ou ouro preparado pelo mesmo método.
Por outro lado, como material flexível, o LAMBA também apresenta vantagens significativas na fabricação de sensores de deformação. Em comparação com os sensores feitos de filmes de ouro, os sensores flexíveis de deformação LAMBA podem responder de forma mais uniforme ao grau de deformação.
BT e TI em biologia sintética
"Colision" oferece infinitas possibilidades
Em geral, a equipe de pesquisa inventou um material vivo com capacidade de autocura rápida. O excelente desempenho deste material faz com que ele tenha grandes perspectivas de aplicação em diversos campos. A tecnologia de TI e a tecnologia BT são duas tecnologias principais que afetam o desenvolvimento futuro dos seres humanos. Os meios científico e industrial têm clamado pela integração e pesquisa cruzada dos dois campos. No futuro, este modelo inovador de fabricação colaborativa "BT mais TI" certamente trará uma grande inovação tecnológica.
"Esperamos estabelecer um novo método para a montagem de materiais vivos através desta pesquisa. Com base na bioprogramabilidade viva, introduzindo teorias em física de polímeros e síntese química, podemos dotar microorganismos de novas características, de modo que os materiais montados tenham rápida Também estamos promovendo outras pesquisas interessantes relacionadas, esperando e acreditando que a biologia sintética pode trazer infinitas possibilidades." disse o autor correspondente Zhuojun Dai.
Fan Chunhai, acadêmico da Academia Chinesa de Ciências e professor da Universidade Jiaotong de Xangai, disse que este trabalho deu um grande passo no design e edição de materiais vivos. Em particular, a ideia de design inovador dea autocura rápida mediada por ligações não covalentes dinâmicas na física e química de polímeros é usada para armar bactérias, e os sistemas clássicos acumulados na ciência de polímeros são introduzidos na biologia sintética em todas as disciplinas. Isso também sugere que podemos aprender e recorrer a outros sistemas excelentes de ciência dos materiais no projeto futuro de materiais vivos.
Zhao Guoping, acadêmico da Academia Chinesa de Ciências e cientista-chefe do Instituto de Biologia Sintética, Institutos de Tecnologia Avançada de Shenzhen, Academia Chinesa de Ciências, disse que a conquista se concentra no campo de materiais funcionais vivos, desafiando o problema da auto-estima. cura em poucos minutos de materiais vivos, o que não pode ser alcançado apenas pela divisão celular. A inspiração para resolver este problema vem da teoria da formação dinâmica de ligações não covalentes e auto-cura rápida. Usando as propriedades do antígeno-anticorpo bacteriano montável na superfície, foi desenvolvido um material funcional que pode ser rapidamente montado e auto-regenerativo, realizando novos padrões de material programável. É particularmente importante mencionar que este trabalho reúne ainda materiais vivos com uma variedade de dispositivos vestíveis, como sensores de sinal elétrico muscular e sensores de tensão, rompendo as fronteiras entre dispositivos vivos e não vivos e expandindo a estrutura de construção de materiais vivos. e áreas de aplicação, este é um exemplo da "convergência" da pesquisa na interseção da biologia química e da biotecnologia com a ciência dos materiais e a ciência da engenharia.