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具有光响应能力的大肠杆菌功能生物膜可作为羟基磷灰石矿化的支架

人工智能 2021-04-29 15:22:08

生命有机体已经进化出生物矿化的机制,以构建结构有序且具有环境适应性的复合材料。尽管研究团队已大大改善了实验室中的仿生矿化研究,但仍难以像他们的本国同行一样对具有结构特征和活性成分的矿化复合材料进行工程设计。在目前发表在《自然化学生物学》上的新报告中,王彦义和中国物理学,高级材料,合成生物学以及工程学的研究团队开发了受自然梯度材料启发的活性图案和梯度复合材料。他们将光诱导细菌生物膜形成与仿生羟基磷灰石结合在一起(HA)矿化,以说明如何控制矿化的位置和程度。复合材料中的细胞在感知和响应环境信号时仍保持活力。矿化后,复合材料的杨氏模量(即刚度,应力与应变之比)增加了15倍。该工作为开发具有动态响应能力和环境适应性的活性复合材料提供了启发。

实验室生物矿化

活生物体可以基于生物矿化作用产生各种分层的有机-无机复合结构,其中著名的例子包括能够满足多种生物学功能的Chiton的齿状齿,鱼鳞和小龙虾下颌骨。生物矿化的时间和程度必须由细胞精确控制,以在活生物体中形成准确的结构和功能。仿生矿化的最新研究强调了探索细胞控制方法以产生生命模式和分级复合材料的重要性,这是一个有前途但尚未开发的领域。的学科合成生物学和材料科学已经释放了一系列复杂的和环保的基因电路,以生物工程一系列新的细胞功能。在这项工作中,王等人。通过利用可光诱导的大肠杆菌生物膜和仿生矿化作用,开发出了具有生物启发性的活性复合材料。这项工作将为整合工程细胞打开大门,以生产具有结构和生命特征的矿化材料。

该团队选择了融合蛋白来工程化矿化促进大肠杆菌的生物膜。基于先前的实验,他们选择了源自蓝藻的Mefp5蛋白,然后选择了源自加州紫My的Mfp3S和Mfp3S肽的另一种变体(Mfsp3S-pep),以启动矿化作用并促进粘附。该团队构建了包含大肠杆菌生物膜主要蛋白结构域的融合蛋白。形成CsgA-Mfp融合蛋白,并证实了它们从工程细胞中的潜在分泌能力。然后,他们选择了CsgA–Mfp3S-pep融合蛋白作为羟磷灰石矿化的代表,并进行了实验以验证该蛋白的功能,以突出其在矿化和晶体形成过程中的作用。此后,王等。他构建了一种可光诱导的生物膜形成菌株,称为光接收器-CsgA-Mfp3S-pep,该菌株可以通过蓝光照射进行严格调节。

光敏菌株在光照后可以产生功能性的生物膜材料,从而促进羟基磷灰石(HA)的矿化。为了验证这一点,科学家将光敏菌株在培养皿中暴露于蓝光,并使用组织学染色和透射电子显微镜(TEM)成像来显示生物膜中淀粉样蛋白纤维的产生。相比之下,他们在黑暗中生长的样品中未观察到淀粉样蛋白纤维。经过工程改造的细胞外基质还可以及时用作HA矿化的模板,他们根据X射线衍射(XRD)和能量分散X射线光谱(EDS)技术在孵育7天后证实了这一点。

形成受控的活性复合材料

基于工程生物膜的光敏性质,Wang等人。时空操纵生物膜的形成,以控制复合材料的形成。他们通过照亮聚苯乙烯陪替氏培养皿中液体细菌培养物上的叶子图案来实现这一目标,这些叶子图案忠实地概括了投射到细菌生物膜上的光图案。矿化7天后,在皮氏培养皿中生成的复合材料保留了使用扫描电子显微镜观察到的原始图案。光调节方法可根据网格图案投影和微尺度的光的空间分辨率(与活菌的大小相比)控制复合材料的形状。然后,该团队通过对活的复合材料进行工程改造以表达荧光蛋白,从而验证了完整的活细胞的活力,这一点已通过共聚焦显微镜图像得到了证实。此后,他们使用热重分析法来量化矿化复合材料的无机成分,其中无机材料在浸入模拟体液(SBF)中时随时间成比例增加。Wang等。还使用微压痕技术比较了生物膜的杨氏模量,以显示矿化作用如何增强大肠杆菌生物膜 保护细胞。

密度控制的梯度复合材料

组织工程学方法强调必须在硬组织和软组织之间进行精确识别为了获得成功的生理性能,因此可以调整光强度以控制工程生物材料的密度和机械性能。张等。通过将大肠杆菌培养物暴露于不同强度的光照下,以揭示生物膜厚度如何随蓝光强度的降低而降低,从而实现了这一目标。他们进一步证明了工程化的Mfsp3S-pep融合蛋白如何紧密而局部地控制矿化作用。然后,他们用微压痕研究了照明区域的局部机械性能,观察到杨氏模量增加了四倍,从而突出显示了具有可调节矿物梯度和机械性能的活性复合材料,这些材料可用于骨组织工程中的再生组织与骨之间的界面。

部署活性复合材料以修复特定地点的损坏

科学家们还研究了工程化生物膜通过胶合聚苯乙烯微球以及HA矿化来聚集以修复损伤的能力。。作为概念验证,他们使用了活性矿物复合材料来填充和修复聚苯乙烯培养皿表面上的工程裂缝。在实验过程中,光诱导的粘附生物膜将溶液中的微球捕获,以填充故意造成的受损沟槽,而生物膜中的纳米纤维则充当羟磷灰石矿化的模板,以巩固在蓝光下的光诱导胶结作用。使用扫描电子显微镜,王等。展示了细菌和周围的细胞外基质与微球如何粘附在一起,以说明活生物膜的粘附功能。HA矿化复合材料形成致密的类混凝土层,形成了皱纹,突出了活性复合材料的矿化功能,从而增强了耐久性和修复性。

外表

通过这种方式,王彦义及其同事通过光控生物膜平台生产了具有生物启发性的活体花纹复合材料和活体渐变复合材料。所得复合材料显示出与天然复合材料相似的环境响应性。复合材料中的细胞即使在矿化后仍保持活力并对环境刺激做出反应。这项工作为创建具有适应性和自我修复功能的功能性有机功能无机活性复合材料开辟了道路,并将其应用于生物医学,再生医学和生物修复领域。

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