Il y a quelques jours, l'équipe de recherche de Dai Zhuojun et du groupe de recherche de Liu Zhiyuan de l'Institut de technologie avancée de Shenzhen, de l'Académie chinoise des sciences, a proposé une nouvelle idée de construction pour des matériaux vivants rapidement réparables dans le domaine des matériaux fonctionnels vivants, et a encore transformé cette idée. en une sorte de matière vivante. La méthode universelle de combinaison de matériaux vivants sera promue dans de nouveaux domaines d'application tels que la fabrication et l'assemblage intelligents d'appareils portables. Cette réalisation est une nouvelle tentative de l'équipe de recherche d'intégrer la biotechnologie (BT) et la technologie de l'information (TI) dans le domaine de la biologie synthétique. Des résultats de recherche pertinents ont été publiés dans Nature Chemical biology.
Les matériaux auto-cicatrisants ne sont pas un concept qui a été introduit ces dernières années. Une marque de vêtements aux États-Unis a déjà lancé des matériaux vestimentaires qui peuvent être réparés automatiquement. Le principe est très simple. Ce n'est qu'en augmentant la résistance du fil, de sorte que le fil ne peut pas être coupé après l'insertion du clou en fer, mais seul le fil est séparé. Cependant, un tel matériau présente de grandes limites, et sa fonction de réparation ne peut plus fonctionner face à des fissures telles que des objets tranchants.
Depuis lors, les scientifiques se sont tournés vers les matériaux de revêtement pour textiles. La protéine ring-dentin (SRT) du calmar a des propriétés "d'auto-guérison". Déposez quelques gouttes d'eau tiède sur le textile enduit de protéines SRT, puis chevauchez les sections et appuyez pendant environ 60 secondes, et les sections se reconnecteront.
Cependant, il existe encore un grand écart entre ces matériaux auto-cicatrisants et les matériaux auto-cicatrisants que nous imaginons. En bref, de telles méthodes de réparation ne peuvent pas rendre la surface de fracture pontée par auto-guérison. D'autre part, les matériaux protéiques purifiés n'ont plus la propriété d'être programmables dans les cellules vivantes.
matériel biologique vivant
Obtenez de puissantes capacités d'auto-guérison
Le développement rapide de la biologie synthétique a permis de réaliser le processus d'auto-guérison en utilisant des matériaux vivants biologiques intelligents. Les matériaux vivants traditionnels proposent de s'appuyer sur la croissance et la reproduction de micro-organismes pour réaliser l'auto-réparation. Ce processus prend souvent des dizaines d'heures voire des jours. Un temps de réparation aussi long limite grandement ses scénarios d'application. À cet égard, l'équipe de recherche a adopté une approche différente du principe de réparation et a trouvé une méthode qui peut réduire considérablement le temps de réparation du matériau.
Les molécules d'antigène et d'anticorps ont une certaine complémentarité de structure (s'appuyant sur des forces intermoléculaires pour former une liaison non covalente), de sorte qu'elles peuvent être combinées de manière stable par une interaction spécifique en très peu de temps. Cette force de liaison peut être rapidement restaurée après avoir été endommagée par une force externe, c'est-à-dire qu'une réparation rapide peut être obtenue. Sur la base de ce principe, l'équipe a construit deux souches modifiées avec des antigènes et des nanocorps affichés sur leurs surfaces, respectivement. Après cela, les deux souches ont été mélangées dans une certaine proportion, et grâce à l'interaction rapide entre les antigènes et les anticorps, un matériau précurseur LAMBA stable avec une capacité d'auto-guérison élevée.
Étant donné que les propriétés des matériaux précurseurs LAMBA sont similaires à celles des hydrogels, les matériaux LAMBA peuvent être librement transformés en matériaux de formes et de propriétés différentes en combinant des techniques traditionnelles de traitement des matériaux (telles que l'impression 3D, la microfluidique, etc.).
Matériaux vivants "programmables"
Rendre les appareils plus intelligents
Les matériaux auto-cicatrisants qualifiés doivent également être intelligents. L'un des plus grands avantages des matériaux biologiques vivants réside dans la puissante programmabilité des micro-organismes. Par conséquent, l'équipe de recherche a également exploré cela sous deux aspects.
D'une part, en affichant des enzymes et des nanocatalyseurs à la surface de deux bactéries modifiées, puis en les transformant en matériaux LAMBA, le paraoxon, le principal composant des pesticides, a finalement été dégradé avec succès en p-aminophénol peu toxique.
D'autre part, l'hydrolase d'amidon est affichée à la surface d'une bactérie et la tréhalose synthase est exprimée de manière intracellulaire dans une autre bactérie, de sorte que l'amidon est d'abord converti en maltose par l'hydrolase d'amidon, puis le maltose est transporté comme substrat vers une autre. les bactéries ont été converties intracellulairement en tréhalose par la tréhalose synthase.
La super capacité d'auto-guérison et la capacité de programmation intelligente des matériaux LAMBA ont inspiré l'équipe de recherche à explorer davantage son application dans les dispositifs portables et les biocapteurs.
Les appareils portables peuvent détecter les signaux physiologiques de base du corps humain pour obtenir une détection quotidienne de la santé, un traitement de rééducation auxiliaire et d'autres effets. De bonnes propriétés de traction et une conductivité électrique sont les conditions préalables à leur fonctionnement normal. Après les tests, la conductivité électrique du matériau LAMBA peut rester stable même après des étirements cycliques répétés. Et après avoir été endommagé, le matériau LAMBA peut être rapidement réparé pour retrouver ses performances d'origine en peu de temps.
L'activité neuromusculaire du corps humain s'accompagne de la génération de signaux électrophysiologiques, et des capteurs électrophysiologiques peuvent être utilisés pour capturer des signaux électrophysiologiques neuromusculaires de différentes fréquences. L'acquisition précise des signaux électriques musculaires peut être utilisée pour évaluer l'état de santé des muscles d'une part, et pour calculer et évaluer l'intention d'action instantanée du corps humain, puis pour contrôler des dispositifs externes, tels que des prothèses et des exosquelettes. Les résultats expérimentaux montrent que le capteur électrophysiologique flexible LAMBA peut capturer avec précision le signal électrique du muscle et présente un meilleur rapport signal sur bruit que la seule bactérie ou le capteur à couche mince d'or préparé par la même méthode.
D'autre part, en tant que matériau flexible, LAMBA présente également des avantages significatifs dans la fabrication de capteurs de contrainte. Par rapport aux capteurs constitués de films d'or, les capteurs de contrainte LAMBA flexibles peuvent répondre de manière plus uniforme au degré de déformation.
BT et IT en biologie synthétique
"Collision" donne des possibilités infinies
En général, l'équipe de recherche a inventé un matériau vivant avec une capacité d'auto-guérison rapide. Les excellentes performances de ce matériau lui confèrent de grandes perspectives d'application dans de nombreux domaines. La technologie informatique et la technologie BT sont deux technologies majeures qui affectent le développement futur des êtres humains. Les milieux scientifiques et industriels réclament l'intégration et la recherche croisée des deux domaines. A l'avenir, ce modèle innovant de fabrication collaborative « BT plus IT » apportera sûrement une innovation technologique majeure.
"Nous espérons établir une nouvelle méthode d'assemblage de matériaux vivants grâce à cette recherche. Sur la base de la bioprogrammabilité vivante, en introduisant des théories en physique des polymères et en synthèse chimique, nous pouvons doter les micro-organismes de nouvelles caractéristiques, de sorte que les matériaux assemblés propriétés d'auto-guérison.Nous promouvons également d'autres recherches intéressantes connexes, en espérant et en croyant que la biologie synthétique peut apporter des possibilités infinies." a déclaré l'auteur correspondant Zhuojun Dai.
Fan Chunhai, académicien de l'Académie chinoise des sciences et professeur à l'Université Jiaotong de Shanghai, a déclaré que ce travail avait fait un grand pas en avant dans la conception et l'édition de matériaux vivants. En particulier, l'idée de conception innovante del'auto-guérison rapide médiée par des liaisons dynamiques non covalentes dans la physique et la chimie des polymères est utilisée pour armer les bactéries, et les systèmes classiques accumulés dans la science des polymères sont introduits dans la biologie synthétique dans toutes les disciplines. Cela suggère également que nous pouvons apprendre et tirer parti d'autres excellents systèmes de science des matériaux dans la conception future des matériaux vivants.
Zhao Guoping, académicien de l'Académie chinoise des sciences et scientifique en chef de l'Institut de biologie synthétique, Instituts de technologie avancée de Shenzhen, Académie chinoise des sciences, a déclaré que la réalisation se concentre sur le domaine des matériaux fonctionnels vivants, défiant le problème de l'auto- guérison en quelques minutes des matériaux vivants, ce qui ne peut être obtenu par la seule division cellulaire. L'inspiration pour résoudre ce problème vient de la théorie de la formation dynamique de liaisons non covalentes et de l'auto-guérison rapide. En utilisant les propriétés de l'antigène-anticorps bactérien montable en surface, un matériau fonctionnel qui peut être rapidement assemblé et auto-cicatrisant a été développé, réalisant de nouveaux modèles de matériaux programmables. Il convient de mentionner en particulier que ce travail assemble davantage de matériaux vivants avec une variété de dispositifs portables, tels que des capteurs de signaux électriques musculaires et des capteurs de contrainte, brisant les frontières entre les dispositifs vivants et non vivants et élargissant le cadre de construction des matériaux vivants. et domaines d'application, c'est un exemple de la « convergence » de la recherche à l'intersection de la biologie chimique et de la biotechnologie avec la science des matériaux et la science de l'ingénieur.