Bacteriën maken geleidende en lichtgevende materialen

Ingenieurs van het Massachusetts Insitute of Technology zijn erin geslaagd bacteriën een biofilm te laten maken waar niet-levende, niet-organische materialen in opgenomen kunnen worden, zoals nanopartikels van goud of quantum dots, nanodeeltjes die licht geven.
De E.coli-bacterie maakt in de natuur een biofilm om zich vast te hechten.

Deze "levende materialen" combineren de voordelen van levende cellen, die reageren op hun omgeving en complexe biologische moleculen produceren, met de voordelen van niet-levende materialen, die functies toevoegen zoals het geleiden van elektriciteit of het uitstralen van licht.

De nieuwe materialen zijn een eenvoudige demonstratie van de kracht van deze aanpak, die mogelijk ooit gebruikt zou kunnen worden om meer complexe apparaten te maken als zonnecellen, zichzelf herstellende materialen of sensoren om diagnosen te stellen, zegt Timothy Lu aan de website van MIT. Lu is assistent professor elektrisch en biologisch ingenieurschap en een belangrijk auteur van de studie die de levende functionele materialen beschrijft in Nature Materials.

"Ons idee is de levende en niet-levende werelden samen te brengen om hybride materialen te maken die levende cellen bevatten en die functioneel zijn", zei Lu. "Het is een interessante manier van denken over het synthetiseren van materialen, die erg verschilt van wat mensen nu doen. Nu gaat het meestal om een top-down-benadering, een benadering van boven naar beneden."

E.coli

Het team van MIT werkte met de bacterie Escherichia coli (E.coli) omdat die bacterie van nature biofilms maakt die zogenoemde "curli fibers" (gekrulde draden) bevat - zetmeelachtige proteïnen die E.coli helpen zich vast te hechten aan een oppervlakte. Elke curli fiber bestaat uit een zich herhalende ketting van identieke proteïne-onderdelen, die CsgA genoemd worden, en die aangepast kunnen worden door er proteïne-fragmenten aan toe te voegen, die peptiden genoemd worden. Deze peptiden kunnen niet-levende materialen vangen, zoals nanopartikels van goud, en ze in de biofilm integreren.

Door de bacteriën te programmeren om verschillende types van curli fibers te produceren onder bepaalde omstandigheden, waren de onderzoekers in staat om de eigenschappen van de biofilms te controleren en gouden nanodraden te vervaardigen, geleidende biofilms, en biofilms die vol zitten met quantum dots, zeer kleine kristalletjes die bepaalde kwantummechanische eigenschappen vertonen. Ze bewerkten de bacteriën ook zodanig dat ze in staat waren om met elkaar te communiceren en de samenstelling van de biofilms te wijzigen in de loop van de tijd.

CsgA

Om de gewenste biofilms te verkrijgen schakelde het MIT-team eerst het natuurlijke vermogen van de bacteriën uit om CsgA te produceren, en vervingen het met een kunstmatig genetisch circuit dat ook CsgA produceert, maar enkel onder bepaalde voorwaarden, meer bepaald enkel als er een molecule aanwezig is die AHL genoemd wordt. Dat maakt dat de onderzoekers de productie van curli fibers kunnen controleren door de hoeveelheid AHL in de omgeving aan te passen. Als er AHL aanwezig is, produceren de cellen CsgA, dat curli fibers vormt die zich samenvoegen tot een biofilm.

De onderzoekers bewerkten dan de E.coli-bacteriën om CsgA te produceren waaraan peptiden toegevoegd waren bestaande uit clusters van het aminozuur histidine, maar enkel als er een molecule die aTc genoemd wordt, aanwezig is.

De twee soorten bewerkte cellen kunnen samen gekweekt worden in een kolonie, en dat laat de onderzoekers toe de materiële samenstelling van de biofilm te controleren door de hoeveelheden AHL en aTc in de omgeving aan te passen. Als beide moleculen in de omgeving aanwezig zijn, zal de biofilm een mengeling bevatten van curli fibers met en zonder peptiden. Als er nanopartikels van goud toegevoegd worden, zal de histidine die vasthouden, en zo rijen van gouden nanodraden creëren, en een netwerk dat elektriciteit geleidt.

Om quantum dots aan de biofilm toe te voegen, vervaardigden de onderzoekers bacteriën die curli fibers produceren met een ander peptide, SpyTag genaamd. Dat bindt zich aan quantum dots die bedekt zijn met SpyCatcher, een proteïne dat de partner is van SpyTag.

De beide soorten E.coli-bacteriën kunnen samen gekweekt worden, wat een biofilm geeft die zowel gouden nanopartikels als quantum dots bevat.

DR. STANLEY FLEGLER/VISUALS UNLIMITED, INC. /SCIENCE PHOTO LIBRARY

Communiceren

De onderzoekers toonden ook aan dat de bacteriën met elkaar kunnen coördineren om de samenstelling van de biofilm te controleren. Ze maakten cellen die CsgA zonder peptiden produceerden, en ook AHL. De aanwezigheid van de AHL stimuleerde dan andere bacteriën om CsgA met peptiden aan te maken. 

"Het is een echt eenvoudig systeem, maar wat er gebeurt na een tijd, is dat je curli fibers krijgt die in toenemende mate goud-partikels bevatten. Het toont dat je inderdaad cellen kunt maken die met elkaar praten, en die de samenstelling van het materiaal kunnen wijzigen", zei Lu. "Uiteindelijk hopen we na te bootsen hoe natuurlijke systemen, zoals been, zich vormen. Niemand vertelt been wat het moet doen, maar het vormt een materiaal als reactie op signalen uit de omgeving."

Het zou de moeite lonen om de hybride materialen te onderzoeken voor gebruik in energie-toepassingen zoals batterijen en fotocellen, zei Lu op de website van MIT. De onderzoekers zijn er ook in geïnteresseerd om de biofilms te bekleden met enzymen die het afbreken van cellulose katalyseren. Dat zou nuttig kunnen zijn om afval van de landbouw om te zetten in biobrandstof. Andere mogelijke toepassingen zijn diagnose-toestellen en een "stelling" om weefsel op te vervaardigen.

Biofilm

Een biofilm is een laag van micro-organismen die omgeven zijn door zelf geproduceerd slijm, vastgehecht aan een oppervlak. Deze slijmlaag wordt ook ECM of "Extracellulaire matrix" of Glycocalyx genoemd.

Biofilms komen vaak voor in de natuur, tandplak is er een voorbeeld van. De bacteriën die in een biofilm leven kunnen totaal andere eigenschappen krijgen dan de vrijlevende micro-organismen.
 

Snottieten zijn kolonies van eencellige extremofiele bacteriën die in slijmerige draden aan de muren en plafonds van grotten hangen. De draden zijn de biofilm van de bacteriën. Ze lijken op stalactieten, maar hebben een slijmerige in plaats van vaste consistentie. De bacteriën in de snottiet zetten zwavelverbindingen om en produceren zwavelzuur. Dat kan makkelijk door de huid van een mens branden.

Quantum dots

Quantum dots zijn klompjes halfgeleidend materiaal met een doorsnede van een paar nanometer. Afhankelijk van de grootte van de klompjes verandert de kleur van het licht dat ze uitzenden. Dat maakt de quantum dots heel geschikt voor praktische toepassingen, bijvoorbeeld in de biologie, waar de licht uitzendende deeltjes gekoppeld worden aan eiwitten om die te detecteren. Ook in toekomstige LED's en kwantumcomputers kunnen deze kunstmatige lichtbronnen een grote rol gaan spelen.

Quantum dots van verschillende grootte zenden verschillende kleuren licht uit. In deze flesjes zitten cadmium-selenium quantum dots van verschillende formaten (tussen 1 en 10 nanometer) in een oplossing.