Forscher der Rice University haben einen bedeutenden Durchbruch im Bereich der konstruierten lebenden Materialien (ELMs) erzielt und eine neue Methode enthüllt, um ihre Struktur und Reaktion auf Kräfte wie Dehnung oder Kompression präzise zu kontrollieren. Diese Entdeckung, die in einer Sonderausgabe von ACS Synthetic Biology veröffentlicht wurde, könnte verschiedene Bereiche revolutionieren, darunter die Gewebezüchtung, die Medikamentenverabreichung und sogar den 3D-Druck von lebenden Geräten.
Die Forschung konzentrierte sich auf die Modifikation von Proteinmatrizen, den Netzwerken von Proteinen, die die Struktur von ELMs bilden. Durch die Einführung kleiner genetischer Veränderungen entdeckte das Team, dass es das Verhalten dieser Materialien erheblich verändern konnte. Die Forscher verwendeten ein Bakterium namens Caulobacter crescentus, das genetisch modifiziert wurde, um ein Protein namens BUD zu produzieren, das Zellen hilft, zusammenzuhalten und eine unterstützende Matrix zu bilden.
Das Team variierte dann die Länge spezifischer Proteinsegmente, die als Elastin-ähnliche Polypeptide (ELPs) bezeichnet werden, innerhalb der BUD-ELMs und schuf drei verschiedene Varianten: BUD40, BUD60 und BUD80. Jede Variante zeigte einzigartige Eigenschaften in Abhängigkeit von der Länge ihrer ELPs. BUD40 mit den kürzesten ELPs bildete dickere Fasern, was zu einem steiferen Material führte. BUD60 mit ELPs mittlerer Länge schuf eine Kombination aus Globuli und Fasern, was zu dem stärksten Material unter Deformations-Oszillationsbelastung führte. BUD80 mit den längsten ELPs erzeugte dünnere Fasern, was zu einem weniger steifen Material führte, das unter Deformationsbelastung leicht bricht.
Fortgeschrittene Bildgebungs- und mechanische Tests zeigten, dass diese Unterschiede nicht nur kosmetischer Natur waren, sondern die Art und Weise, wie die Materialien mit Stress umgingen und unter Druck flossen, grundlegend beeinflussten. BUD60 konnte beispielsweise mehr Kraft aushalten und sich besser an Veränderungen in seiner Umgebung anpassen, was es ideal für Anwendungen wie 3D-Druck oder Medikamentenverabreichung macht.
Alle drei Materialien teilten zwei Schlüsselmerkmale: Sie zeigten ein Scherverdünnungsverhalten, d. h. ihre Viskosität nahm unter Belastung ab, und sie enthielten eine große Menge Wasser (etwa 93 % ihres Gewichts). Diese Eigenschaften machen sie gut geeignet für biomedizinische Anwendungen wie Gerüste zur Unterstützung des Zellwachstums in der Gewebezüchtung oder Systeme zur kontrollierten Medikamentenverabreichung.
Die potenziellen Anwendungen gehen über den biomedizinischen Bereich hinaus. Diese selbstorganisierenden Materialien könnten für die Umweltbereinigung oder Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien angepasst werden, z. B. für den Bau von biologisch abbaubaren Strukturen oder die Nutzung natürlicher Prozesse zur Energiegewinnung.
Diese Forschung, die durch das National Science Foundation Graduate Research Fellowship, das Cancer Prevention and Research Institute of Texas und die Welch Foundation unterstützt wird, unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses der Beziehung zwischen genetischen Sequenzen, Materialstruktur und Verhalten. Indem sie herausfinden, wie spezifische genetische Modifikationen die Materialeigenschaften beeinflussen, legen die Forscher den Grundstein für die Entwicklung von lebenden Materialien der nächsten Generation.