Levande guldtrådar grund för självläkande material

De nya materialen är inspirerade av naturliga material som exempelvis ben. Det består helt enkelt av celler som är sammanbundna med bland annat metaller och mineraler. Strukturen ger nya funktioner till cellerna som exempelvis elektrisk ledningsförmåga. Det kan även fungera som en slags sensor för den "döda" materian genom att känna av omgivningen. Forskningsfältet kallas syntetisk biologi. Det betyder att forskarna själva har programmerat vilken DNA de vill att bakterien ska ha.

- De här materialen är en enkel demonstration av hur kraftfull sådan här teknik är. I framtiden kan det leda till mer komplexa apparater som solceller, självläkande material och diagnostiska sensorer, säger Timothy Lu, professor i bioteknik och elektroteknik vid Massachusetts institute of technology i Boston.

- Vår idé är att föra samman den levande världen med den icke-levande och skapa hybridmaterial som är funktionella och består av levande celler, säger han.

Bakterien forskarna har använt är en variant av tarmbakterien E. Coli, som har proteiner som fungerar som ett naturligt klister. Proteinerna kan i sin tur modifieras för att fästas på exempelvis guld. Dessa proteiner kallas curlifiber består av en kedja av subenheter som kallas CsgA. Dessa subenheter är mindre proteiner som kan modifieras med små kedjor av aminosyror, så kallade peptider. Dessa peptider har i sin tur förmågan att fästa i olika typer av material som bakterien inte kunde fästa vid tidigare.

Genom att programmera om bakteriens DNA, kunde forskarna vid MIT kontrollera bakteriens curlifiber och skapa guldtrådar, elektriskt ledande biologiska hinnor, hinnor med kvantprickar och små levande kristaller med kvantmekaniska egenskaper.

Forskarnas teknik byggde på att de först klippte ut generna för naturligt CsgA ur bakterierna och lade sedan dit DNA för den syntetiska CsgA som forskarna själva programmerat. Den nya CsgA-genen var programmerad att endast producera proteinet CsgA under vissa förutsättningar. Bland annat koncentratoinen av signalmolekylen AHL som forskarna kan påverka. Genom att styra dessa yttre faktorer kunde forskarna även styra bakteriens produktion av curlifiber som interagerar med död materia.

När bakterierna placerades i en miljö med tillgång till molekylen aTc, fick de nya egenskaper. I det fallet producerade bakterien CsgA som var modifierat med aminosyran histidin. Sedan blandades cellerna med curlifiber som styra av AHL, tillsammans med celler som var modifierade med histidin. Bakterierna kommer då att producera en hinna med egenskapen att fästa till guldnanopartiklar. Guldet binder till histidinet och slutprodukten blir ett närverk av guldtrådar som kan leda elektricitet. Cellerna kunde även koordineras med hjälp av signalmolekylerna.

- Egentligen är det ett väldigt enkelt system. Vad som händer är att curlifiberna fångar upp mer och mer guld. Forskningen visar att det går att få celler att kommunicera med varandra så att själva kompsitionen av materialet förändras med tiden. Vårt mål med tekniken är att härma naturliga system som exempelvis ben. Ingen säger till ben vad det ska göra men det växer med tiden och reparerar sig själv, säger Timothy Lu.

Forskningen publicerades nyligen i Nature Materials.