Ein neues GMO-Bakterium ist genetisch programmiert, um ein Touchpad zusammenzustellen.


    Schwarze Punkte sind Goldnanopartikel, die von druckempfindlichen Kuppeln angezogen werden, die von gentechnisch veränderten Bakterien gebildet werden.

    In der Natur werden häufig mikrostrukturierte Materialien gefunden, die von Grund auf neu entstehen. Sie kombinieren organische und anorganische Stoffe und haben gleichzeitig verbesserte physikalische Eigenschaften. Zum Beispiel sind die Schalen von Mollusken mehrschichtige Mikrostrukturen aus Calciumcarbonat mit einer geringen Menge organischer Substanz. Dieses Material ist etwa 1000 Mal stärker als normales Calciumcarbonat. Unsere eigenen Knochen sind auch eine Mischung aus organischem Kollagen und anorganischen Mineralien. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden der physikalischen und chemischen Produktion ist die biologische Montage umweltfreundlich und basiert auf Komponenten der Selbstmontage.

    Moderne Fortschritte in der synthetischen Biologie und der Herstellung von Biomaterialien ermöglichen bereits die Programmierung der Selbstorganisation von Proteinen, Peptiden und DNA-Ketten. Jetzt kam die Elektronik. Wissenschaftler haben GVO-Bakterien entwickelt, deren Kolonien einen elektronischen Drucksensor (Touchpad) bilden.

    Eine Möglichkeit, ein Material zu schaffen, das organisches und anorganisches Material kombiniert, ist die genetische Modifikation eines Bakteriums, um die Bildung eines Biofilms zu steuern, auf dem die anorganischen Komponenten zusammengefügt werden.

    Im Jahr 2014 wurde das erste Experiment mit der Selbstorganisation von Amyloidfibrillen aus E. coli- Bakterienzellen durchgeführt , wobei ein leitfähiger Biofilm mit einer von außen gesteuerten Elektrode als elektronischer Schalter erhalten wurde. Diese Methode hatte jedoch Nachteile, zum Beispiel musste eine Bakterienkolonie auf einer speziell strukturierten 2D-Oberfläche vorgewachsen werden. Nun nutzten Bioingenieure von der Duke University (USA) die bisherigen Entwicklungen im Jahr 2014 und schlugen eine neue Methode vorfrei von diesen Mängeln. Sie sagen, dass eine einzelne Zelle, dh ein einzelnes Bakterium, für das Wachstum eines Geräts ausreicht. Nach der Zucht und dem entsprechenden Befehl bildet eine Bakterienkolonie selbstständig die erforderlichen 3D-Strukturen, die Goldpartikel an den richtigen Stellen an sich ziehen - und schließlich ein Gerät mit einer bestimmten Funktionalität (in diesem Fall ein Drucksensor) bilden.


    Herstellung von programmierbarem Material unter Verwendung von GVO-Bakterien, die ein Muster bilden. (a) Das Genschema besteht aus mutierter T7-Polymerase-RNA (T7RNAP), die sowohl die eigene Expression als auch die Expression von LuxR- und LuxI-Proteinen aktiviert. Das LuxI-Protein vermittelt die Synthese von AHL, das die Expression von T7-Lysozym, CsgA-Protein und mCherry-Fluorophor durch LuxR-Aktivierung fördert. Das Schema wird durch die exogene Zugabe von IPTG aktiviert. (b) Bakterien mit Curli-Zotten können in jeder Kolonie selbstorganisierende Curli-Muster bilden, die als Rahmen für den Aufbau anorganischer Materialien dienen. (c) Touchpad, das lokale Druckänderungen aufzeichnet und konvertiert. Die Kuppelform ist ein mikrostrukturiertes Material, das von einer Bakterienkolonie erzeugt wird. Orangene Linien entsprechen leitfähigen Drähten und zwei blauen Ebenen zu tragenden Flächen.

    Wie im obigen Diagramm gezeigt, erfüllen die Bakterien die festgelegten Anweisungen (Programm), wodurch eine domförmige Struktur entsteht. Die Größe der Kuppel kann durch Ändern der Größe der Kolonie gesteuert werden. Die Kuppel zieht ein Goldnanopartikel an. Daraus entsteht eine leitfähige Hülle - ein Touchpad-Kontakt.


    Zuverlässige Signalverarbeitung durch bakteriologische Drucksensoren. Die Intensität der Helligkeit der LED, die in Abhängigkeit von der Druckkraft des Sensors leuchtet, wird angezeigt.

    Die Effizienz des Touchpads wird im Labor getestet. Normalerweise registriert er nicht nur den Druck, sondern auch die Druckkraft.

    „Mit dieser Technologie können wir eine einzelne Zelle mit funktionalen Funktionen entwickeln“, sagt Lingchong You, Associate Professor für Ingenieurwissenschaften an der Duke University. "Grundsätzlich unterscheidet sich dies nicht davon, eine Zelle so zu programmieren, dass sie zu einem Baum wächst."

    Zu den Worten des Professors kann man hinzufügen, dass einige lebende Zellen so programmiert sind, dass sie zu einer Person heranwachsen, so dass man mittels Genmodifizierung eine Vielzahl von Systemen aus einer einzelnen Zelle erstellen kann, wenn die Zelle richtig programmiert ist und sich in einem Nährmedium vermehren kann.

    Demonstration des von GVO-Bakterien gesammelten Touchpads:


    Wissenschaftliche Artikel veröffentlicht 9. Oktober 2017 in der Zeitschrift Nature Biotechnology (doi: 10.1038 / nbt.3978, pdf ).

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