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科學家著手開發結合生物與非生物的新材料

上網時間: 2014年03月27日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:生物薄膜  非生物  細菌細胞  太陽能電池  感測器 

美國麻省理工學院(MIT)的研究人員們致力於以細菌細胞培養出能與非生物材料(如金奈米粒子與量子點)相互結合的活性生物膜,期望透過這項研究結果讓活細胞也能擁有非生物材料的一些優點,例如能夠導電或發光等。

MIT電子工程系與生物工程系助理教授盧冠達(Timothy Lu)指出,這種新的物質簡單地證明了這種研究途徑的潛在能力,可望在未來有一天用於設計出更複雜先進的元件,如太陽能電池、自我修復的物質或診斷感測器等。

盧冠達解釋,「我們的想法是結合生物以及非生物的世界,從而打造出具有活細胞特性而又能發揮非生物功能的混合物質。這種合成生物與非生物材質的思考方式十分有趣,也和目前人們總是習慣由上而下的思考方式截然不同。

盧冠達與其他研究人員們選擇採用大腸桿菌進行研究,因為它能夠很自然地產生含有所謂「curli纖維」的生物薄膜──一種有助於大腸桿菌附著於表面的澱粉樣蛋白質。每個curli纖維是從相同蛋白質亞基(CsgA)的重複鏈中製造出來的,可以經由添加蛋白質片段(肽)進行修改。這些肽能擷取出金奈米粒子等非生物材料,並將其合成於生物薄膜中。

研究人員們透過編程細胞使其得以在一定條件下產生不同類型的curli纖維,因而能夠控制生物薄膜的特性與創造金奈米線,以及採用量子點或具有量子機械特性的微型晶體鑲嵌生物薄膜。此外,研究人員們並設計與控制細胞,使其得以相互溝通,並隨時間改變生物薄膜的組成。

首先, MIT的研究人員們抑制了細菌細胞自然產生 CsgA 的能力,並以只在特定情況下產生 CsgA 的人工基因電路代替──特別是在 AHL 分子出現的情況下。這種配置讓研究人員們得以控制 curli 纖維的產生,以及調整 AHL 在細胞環境中的數量。當出現 AHL 時,細胞分泌 CsgA 形成可聚結成一個生物薄膜的 curli 纖維,覆蓋細胞生長的表面。

在塗層,其中細菌生長的表面上。

接著,研究人員們改造大腸桿菌細胞,使其只在 aTc 分子出現的情況下產生標記肽(由胺基酸組氨酸簇組成)的 CsgA 。這兩種人工細胞可在群體中共同生長,讓研究人員們得以根據環境中出現 AHL 與 aTc 的數量加以控制生物薄膜的物質組成。如果二者同時存在,生物薄膜將會包含標記以及未標記纖維的組合。如果在環境中添加金奈米粒子,那麼組氨酸標記將進行擷取,從而形成導電的金奈米線與網路。

研究人員們還展示了這些細胞之間可以相互配合,從而控制生物薄膜的組成。他們設計出可產生無標記 CsgA 的細胞與 AHL ,然後刺激其他細胞開始產生具有組氨酸標記的 CsgA 細胞。

盧冠達解釋,這其實是一個非常簡單的系統,但隨著時間的演進,研究人員們可取得更多金奈米粒子標記的 curli 纖維。它可讓人們製造出能彼此互動交流的細胞,還可隨時間進展改變其組成。研究人員們希望最終能用於模擬出自然系統(如骨骼)如何形成──無需人為介入,骨骼就能因應環境訊號產生一種物質。

盧冠達表示,這種混合生物與非生物的物質還有待更多的探索,以期可在未來用於電池、太陽能電池等能源應用中。

有關該研究的論文刊登在近期出版的《Nature Materials》雜誌上,主要的作者是MIT-哈佛醫學院博士班研究生Allen Chen、資深作者盧冠達,其他作者包括博士後研究Zhengtao Deng、Amanda Billings、Urartu Seker與Bijan Zakeri;最近才從MIT畢業的Michelle Lu;,以及碩士研究生Robert Citorik。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Biofilm-based living materials promise solar cell advance,by Paul Buckley)





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