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新系统能将生物膜改造成生物材料工厂

发布时间:2019-12-05 06:11:45 编辑:笔名

美国哈佛大学韦斯仿生工程研究所的一个研究小组近日开发出一种新系统,能把生物膜改造成生产并修复纳米材料的新平台,将来可用于污水处理、制药、新型纺织等众多领域。相关论文发表在一期《自然·通讯》杂志上。

生物膜是细菌及其细胞外物质组成的群落,虽然粘滑却极坚固,胞外物质由糖、蛋白质、基因材料及其他物质组成。在生物膜形成期间,细菌会分泌出蛋白质,在细胞外自行组装,生成缠结在一起的纤维网络,并把细胞粘在一起,形成一个群落,让细菌待在这个“大家庭”里更安全。

“现在大部分研究集中在怎样除掉生物膜,而我们证明可以改造它们,让它们形成特定数量,用于特殊用途。”论文作者、韦斯研究所中心系成员奈尔·乔希说。他们的做法是把生物膜的细胞外物质转变为一种能自我复制产品的平台,迅速生产出想要的任何材料。

研究小组开发出一种叫做BIND(连接)的蛋白质工程系统。据每日科学网9月17日报道,他们通过基因技术把具有特殊功能,如能粘附钢铁的蛋白融合在一种叫做CsgA的小蛋白上,CsgA由大肠杆菌生成,由此大肠杆菌分泌的CsgA也就有了这种粘附本领,自行组装成超坚固的蛋白质——淀粉质纳米纤维,也能粘附在钢铁上。淀粉质蛋白是让“连接”变坚固的基本物质,能自发组成纤维,按重量计算,其强度比钢铁更高,比丝绸更坚硬。

“这种方法用途广泛。”乔希说。他们还证明了能把12种不同的蛋白质融合到CsgA蛋白上,排列方式和长度丰富多样,这意味着至少在理论上,他们能用这种技术来表现任何蛋白质序列——这些蛋白质执行一系列功能:结合外来粒子、实现化学反应、传输信号、提供结构支撑、运输或存储特定分子等等。他们不仅能把这些功能一个一个地设计到生物膜中,还能结合起来产生多功能生物膜。

利用“连接”系统,能开一个“生物膜-合成纳米纤维展览”。生物膜将是未来的生物制造厂,大批量生产生物材料,并让这些材料拥有现有材料所没有的功能。“如果生物膜受损,会再生如初,因为它们是活的组织。”论文作者、韦斯研究所博士后皮特·纳古恩说。

“微生物工厂”的概念并不新鲜,但以往只是生产可溶分子,如药物或燃料,用在材料科学中还是首次。乔希说:“本质上,我们是把细胞改编成‘建造工厂’,不仅生产作为‘基本砖块’的原材料,还负责设计组装,把这些‘砖块’建造成更高级的结构,并随时维护修理。”

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