根据麻省理工学院的一项新研究，细菌细胞可以被操纵来形成生物膜，其中结合了非生物材料，例如量子点和/或金纳米颗粒。
可以创建这些新的“生活材料”，这些材料是受复杂的类似基质的天然材料（例如骨骼）的启发而制成的，因此它们可以执行诸如发光和/或导电的功能。
艺术家绘制的细菌细胞经过改造，可以制造出淀粉状纳米纤维，其中掺入了诸如量子点（红色和绿色的球体）或金纳米粒子之类的颗粒。严良
这项工作背后的研究人员称，这类材料有一天可以用来创建/设计复杂的设备，例如太阳能电池或自我修复材料。
“我们的想法是将生物世界和非生物世界放在一起，以制造其中具有活细胞并具有功能的混合材料，”电气工程和生物工程学助理教授Timothy Lu说。“这是一种有趣的思考材料合成的方式，它与人们现在所做的非常不同，通常是自上而下的方法。”
麻省理工学院的新闻稿提供了这项工作的技术细节：
卢和他的同事之所以选择与大肠埃希氏菌合作，是因为它自然地会产生生物膜，其中包含所谓的“卷曲纤维”，即淀粉样蛋白，可帮助大肠杆菌附着在表面。每根卷曲纤维是由称为CsgA的相同蛋白质亚基的重复链制成的，可以通过添加称为肽的蛋白质片段进行修饰。这些肽可以捕获非生命物质，例如金纳米颗粒，并将其掺入生物膜中。
通过对细胞进行编程以在一定条件下产生不同类型的卷曲纤维，研究人员能够控制生物膜的特性，并创建金纳米线，导电生物膜和布满量子点的薄膜或具有量子力学性质的微小晶体。他们还对细胞进行了工程改造，使其可以相互交流并随时间改变生物膜的组成。
首先，麻省理工学院的研究小组禁用了细菌细胞产生CsgA的天然能力，然后用工程化的遗传电路代替了它，但仅在某些条件下（特别是当存在称为AHL的分子存在时），该工程才产生CsgA。这将卷曲素纤维生产的控制权交给了研究人员，研究人员可以调整细胞环境中AHL的量。当存在AHL时，细胞会分泌CsgA，CsgA形成卷曲纤维，聚结成生物膜，覆盖细菌生长的表面。
然后，研究人员改造了大肠杆菌细胞以产生CsgA，该CsgA用由氨基酸组氨酸簇组成的肽标记，但仅当存在称为aTc的分子时才如此。两种工程细胞可以一起在菌落中生长，从而使研究人员可以通过改变环境中AHL和aTc的含量来控制生物膜的物质组成。如果两者都存在，则薄膜将包含标签和未标签的纤维的混合物。如果将金纳米颗粒添加到环境中，组氨酸标签将抓住它们，形成成排的金纳米线和一个导电网络。
研究人员还表明，生物膜中的细胞能够相互协调以控制组成。他们创造了产生无标签CsgA和AHL的细胞，然后刺激其他细胞开始产生组氨酸标签的CsgA。
“这是一个非常简单的系统，但是随着时间的流逝，您会得到越来越多的金颗粒标记的卷发。这表明确实可以使细胞彼此对话，并且它们可以随时间改变材料的成分。” Lu解释说。“最终，我们希望模仿骨骼等自然系统的形成方式。没有人告诉骨头该怎么做，但是它会响应环境信号而产生一种物质。”
为了在卷发纤维上添加量子点，研究人员设计了能产生卷发纤维以及另一种称为SpyTag的肽标签的细胞，该标签与被SpyTag伴侣蛋白SpyCatcher包裹的量子点结合。这些细胞可以与产生组氨酸标签纤维的细菌一起生长，从而产生既包含量子点又包含金纳米颗粒的材料。
研究人员指出，诸如此类的混合材料在能源领域可能具有巨大的用途，特别是在电池技术或太阳能电池技术方面。生物燃料生产是另一种选择。以及医疗领域的许多选择。
3月23日的《自然材料》杂志上发表了一篇描述新工作的研究论文。
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