חוקרי אוניברסיטת רייס חשפו קשרים חדשים בין רצף-מבנה-רכוש להתאמה אישית של חומרי חיים מהונדסים (ELM), מה שמאפשר שליטה מדויקת יותר על המבנה שלהם וכיצד הם מגיבים לכוחות עיוות כמו מתיחה או דחיסה.
המחקר, שפורסם בגיליון מיוחד של ביולוגיה סינתטית של ACSמתמקד בשינוי מטריצות חלבון, שהם רשתות חלבונים המספקים מבנה ל- ELMS. על ידי הצגת שינויים גנטיים קטנים, הצוות גילה שהם יכולים לעשות הבדל משמעותי באופן התנהלותם של חומרים אלה. ממצאים אלה יכולים לפתוח דלתות להתקדמות בהנדסת רקמות, מסירת תרופות ואפילו הדפסת תלת מימד של מכשירי חיים.
אנו תאים הנדסיים ליצירת חומרים הניתנים להתאמה אישית עם תכונות ייחודיות. בעוד שהביולוגיה הסינתטית נתנה לנו כלים לצבוט תכונות אלה, הקשר בין רצף גנטי, מבנה חומר והתנהגות לא נחקר במידה רבה עד כה. "
קרוליין אג'ו-פרנקלין, פרופסור למדעי הביולוגיה והמחבר המקביל של המחקר
באמצעות טכניקות ביולוגיה סינתטיות, הצוות עבד עם חיידק בשם Caulobacter Crescentus. חברי המעבדה הקודמים הנדסו את החיידקים כדי לייצר חלבון בשם BUD (קיצור של "DE DE NOVO מלמטה למעלה"), המסייע לתאים להדביק יחד וליצור מטריצה תומכת. זה איפשר לחיידקים לצמוח למבנים בגודל סנטימטר, אותם מכנה הקבוצה אלמוני ניצן.
החוקרים אימצו גישה הנדסית זו, גוונו את אורך מקטעי החלבון הספציפיים הנקראים פוליפפטידים דמויי אלסטין (ELPs) ויצרו חומרים חדשים. הצוות איפיין את באד-אלם המקורי של אורך אורך ושני גרסאות חדשות וגילה כל אחת הציגו מאפיינים שונים. החומר הראשון, המכונה ניצן40היו להם ה- ELP הקצרים ביותר ויצרו סיבים עבים יותר שהביאו לחומר בתפזורת נוקשה יותר. הסוג השני, ניצן60היו להם ELPs באורך אמצע ויצר שילוב של כדוריות וסיבים, ומייצר את החומר החזק ביותר תחת לחץ תנודת עיוות. לבסוף, באד80שהיו להם ה- ELPs הארוכים ביותר, שיצרו סיבים דקים יותר, וכתוצאה מכך חומר פחות נוקשה שנשבר בקלות תחת לחץ עיוות.
הדמיה מתקדמת ובדיקות מכניות הראו שההבדלים הללו לא היו סתם קוסמטיים – הם גם השפיעו על האופן בו החומרים טיפלו בלחץ וזרמו בלחץ. לְהַנֵץ60למשל, יכול לעמוד בכוח רב יותר ולהסתגל טוב יותר לשינויים בסביבתו, מה שהופך אותו לאידיאלי ליישומים כמו הדפסת תלת מימד או מסירת תרופות.
לשלושת החומרים היו שני דברים משותפים: הם הראו התנהגות דלילה גזירה והחזיקו הרבה מים – בערך 93% ממשקלם – מה שהופך אותם למתאימים היטב לשימושים ביו -רפואיים כמו פיגומים לתמיכה בצמיחת תאים בהנדסת רקמות או מערכות עבור מסירת תרופות באופן מבוקר.
"המחקר הזה הוא מהראשונים שהתמקדו בבניית חומרי חיים מהיסוד עם תכונות מכניות מותאמות ולא רק להוסיף פונקציות ביולוגיות", אמרה אסתר ג'ימנז, סטודנטית לתואר שני במדעי הביולוגיה והמחברת הראשונה של המחקר. "על ידי ביצוע ציוצים קטנים לרצפי חלבון, קיבלנו תובנות חשובות כיצד לעצב חומרים עם תכונות מכניות ספציפיות."
השימושים הפוטנציאליים נמשכים מעבר לתחום הביו -רפואי; ניתן להתאים את החומרים ההרכבה העצמית הללו לניקוי סביבתי או יישומי אנרגיה מתחדשת כמו בניית מבנים מתכלים או לרתום תהליכים טבעיים לייצור אנרגיה.
"עבודה זו מדגישה את החשיבות של הבנת יחסי רצף-מבנה-רכוש", אמר בכיר קרלסון נגוין, סופר סופר ומדעי ביולוגי של המחקר. "על ידי זיהוי כיצד שינויים גנטיים ספציפיים משפיעים על תכונות חומר, אנו בונים בסיס לעיצוב חומרי מגורים מהדור הבא."
מחקר זה נתמך על ידי מלגת מחקר לתארים מתקדמים של קרן המדע, המכון למניעת סרטן ומחקר של טקסס וקרן וולש.
