Многие макроорганизмы и одноклеточные создают материалы из органических и минеральных компонентов. Например, раковины моллюсков состоят из слоев неорганического карбоната кальция, чередующегося с небольшим количеством органических веществ — остатков клеток организма. Исследователи в области синтетической биологии за последние годы создали методики, позволяющие выращивать с помощью бактерий пленки с вкраплениями неорганических наноструктур. Синтезируемые биопленки могут проводить электрический ток, но методы синтеза сужали возможность менять их свойства и ограничивались только 2D-структурой.
Биохимики из Университета Дьюка (Северная Каролина, США), в отличие от предыдущих подобных работ, впервые создали продуктивную биологическую систему, вся информация для которой вносится с помощью фрагмента ДНК, подобно диску для установки программы на компьютер.
Биохимики программировали молекулы ДНК бактерий, зашивая в структуру генного материала синтетический фрагмент. Этот фрагмент отвечает за создание клеткой молекулы ацил-гомосеринлактона (AHL), которая покидает клетку в процессе жизни.
По мере того, как бактерии размножаются и растут, концентрация молекул AHL достигает критического значения, вызывая в клетках образование белка, к которому «прилипают» неорганические соединения. Экспериментаторы добавляют в систему раствор с наночастицами золота, которые закрепляются на биологической мембране, созданной бактериями. Поскольку в процессе роста колония приобрела форму полушария, в итоге получился купол из золота диаметром несколько миллиметров. Химики могут варьировать подачу питательной среды, задавая размер и форму структуры.
Созданный каркас из золота может найти применение в высокоточных датчиках давления или для катализаторов расщепления воды, что продвинет развитие водородной энергетики. По словам авторов исследования, подбором встраиваемых генов и условий роста химики в будущем смогут синтезировать материалы не только из золота, но и из наночастиц других металлов.
Кроме того, синтез с помощью самоорганизующихся живых систем намного эффективнее расходует сырье и энергию. Традиционные методы синтеза зачастую дороги, требуют точного подбора большого количества параметров, а побочные продукты могут быть токсичными.
Работа опубликована в журнале Nature Biotechnology.
Поведение бактерий, позволяющее им создавать биопленки, довольно сложное. Подробнее читайте об этом на «Чердаке».