[ad_1]
Блоки LEGO можно вручную прикреплять друг к другу определенными предписанными способами для создания сложных структур. Что, если бы мы могли создавать живые структуры, подобные LEGO, которые могут самовоспроизводиться и двигаться, а также могут быть запрограммированы на рост и самосборку в любую желаемую целевую форму?
Междисциплинарная исследовательская группа, возглавляемая профессором Массачусетского технологического института Йорном Данкелем и Ингмаром Ридель-Крузе из Университета Аризоны, разработала платформу теории экспериментов, которая на один шаг приближает к этой цели. Используя генно-инженерные бактерии и математическое моделирование, они смогли запрограммировать бактериальные системы для превращения в произвольные двумерные структуры-мишени.
Лаборатория Риделя-Крузе создала набор инструментов для биоинженерии, который позволяет им контролировать свойства межклеточной адгезии подвижных бактериальных клеток. Генетически модифицированные бактерии выращивают определенные молекулы на своих клеточных стенках, которые действуют как стыковочные станции для подходящих клеток-партнеров. Только клетки, имеющие совпадающие молекулы, могут прилипать друг к другу, тогда как те, у которых есть несовпадающие молекулы, скользят мимо друг друга. После посева небольшого количества бактерий в разных местах на двухмерной питательной поверхности клетки будут расти, делиться и перемещаться. Когда две клеточные популяции с соответствующими молекулами адгезии сталкиваются, они образуют видимую сплошную границу, положение и форма которой определяются начальными позициями посева и концентрациями клеток.
Используя свой универсальный набор инструментов для биоинженерии, исследователи хотели создать сложные целевые паттерны. Для достижения этой цели команде нужно было понять: сколько различных типов ячеек требуется для реализации произвольных шаблонов интерфейса? Как должны быть разработаны правила взаимодействия? Каковы правильные исходные условия для реализации желаемых 2D-структур?
Чтобы ответить на эти вопросы, Дункель и его аспирант Доминик Скиннер, ныне научный сотрудник NSF-Simons Postdoctoral Fellow в Северо-Западном университете, попытались сформулировать математическую модель, которая позволила бы им смоделировать рост и динамику бактериального роя и предсказать формирование шаблоны интерфейса.
«Проводить эксперименты методом проб и ошибок очень дорого и долго», — говорит Дункель. «Итак, Доминик разработал и реализовал модель, которая могла предсказать ожидаемый результат за пару минут».
Скиннер сравнивает запрограммированные бактерии с живыми LEGO. «Лаборатория Ингмара создает биологические строительные блоки, а мы составляем руководство с нашими моделями», — говорит он. «Его лаборатория помещает бактерии в нужные места — они роятся, делятся и коллективно создают желаемую форму мишени».
Дункель добавляет: «Эти уникальные экспериментальные системы позволяют исследовать ряд фундаментальных биологических вопросов: сколько типов клеток необходимо для выращивания определенных моделей? Сколько информации необходимо закодировать в ДНК, чтобы достичь определенного уровня структурной сложности? Что контролирует возникающие формы? Хорошее соответствие между экспериментальными и модельными предсказаниями позволяет нам изучать эти вопросы с помощью компьютерного моделирования с очень небольшими затратами».
Помимо этого, исследование предполагает различные прямые практические применения в дизайне биоматериалов.
Их исследовательская работа «4-битная логика адгезии позволяет создавать универсальные шаблоны многоклеточных интерфейсов» представлена на обложке журнала. Природа.
«В нашей статье мы приводим экспериментальные реализации концепции самовыращенных эластичных листов и структур каналов, которые могут транспортировать капли жидкости в нужные места», — говорит Дункель. «Еще одним приложением являются биосенсоры — в основном, бактерии пишут понятное человеку сообщение, когда они чувствуют молекулу в своей среде».
В качестве следующего шага команда планирует выращивать трехмерные структуры и добавлять к бактериям дополнительные функции, такие как способность производить определенные химические вещества в нужных местах.
Первым автором этой работы является Честность Ким; другими соавторами являются Дэвид Гласс, Александр Хэмби и Брейди Стюарт. Все работают или были в лаборатории Ридель-Крузе.
Работа была поддержана Фондом Альфреда П. Слоана и Национальным научным фондом.
[ad_2]
Source