Исследователи из Университета Райса совершили важный прорыв в области инженерных живых материалов (ELMs), разработав метод, который позволяет точно контролировать их структуру и реакцию на такие воздействия, как растяжение или сжатие. Это открытие, опубликованное в специальном выпуске журнала ACS Synthetic Biology, может революционизировать множество областей, включая тканевую инженерию, доставку лекарств и даже 3D-печать живых устройств.
Исследование было сосредоточено на модификации белковых матриц — сетей белков, которые обеспечивают структуру живым материалам. Внося небольшие генетические изменения, ученые обнаружили, что могут значительно изменить свойства этих материалов. Они использовали бактерию Caulobacter crescentus, которую генетически модифицировали для производства белка BUD, помогающего клеткам склеиваться и формировать поддерживающую матрицу.
Затем команда изменила длину определенных белковых сегментов, называемых эластин-подобными полипептидами (ELPs), внутри BUD-материалов, создав три варианта: BUD40, BUD60 и BUD80. Каждый вариант обладал уникальными свойствами в зависимости от длины ELPs. Например, BUD40, с самыми короткими ELPs, формировал более толстые волокна, что делало материал более жестким. BUD60, с ELPs средней длины, создавал комбинацию глобул и волокон, что делало его самым прочным при деформации. А BUD80, с самыми длинными ELPs, образовывал тонкие волокна, что делало материал менее жестким и более хрупким.
С помощью современных методов визуализации и механических тестов ученые выяснили, что эти различия не просто поверхностные, а фундаментально влияют на то, как материалы справляются с нагрузкой и как ведут себя под давлением. Например, BUD60 мог выдерживать больше силы и лучше адаптироваться к изменениям в окружающей среде, что делает его идеальным для таких применений, как 3D-печать или доставка лекарств.
Все три материала обладали двумя ключевыми характеристиками: они демонстрировали свойство разжижения при сдвиге (их вязкость уменьшалась под нагрузкой) и удерживали большое количество воды (около 93% своего веса). Эти свойства делают их идеальными для биомедицинских применений, таких как создание каркасов для роста клеток в тканевой инженерии или систем для контролируемой доставки лекарств.
Потенциальные применения этих материалов выходят за рамки медицины. Например, они могут быть использованы для экологической очистки или в возобновляемой энергетике, например, для создания биоразлагаемых конструкций или использования природных процессов для генерации энергии.
Это исследование, поддержанное Национальным научным фондом, Институтом исследования рака Техаса и Фондом Уэлча, подчеркивает важность понимания связи между генетическими последовательностями, структурой материала и его поведением. Определяя, как конкретные генетические модификации влияют на свойства материалов, ученые закладывают основу для создания материалов следующего поколения.