며칠 전 중국과학원 선전선진기술원 다이주군 연구팀과 류지위안 연구팀은 생활 기능성 소재 분야에서 빠르게 수리할 수 있는 생활 소재에 대한 새로운 건설 아이디어를 제안하고 이 아이디어를 더욱 발전시켰다. 일종의 생물체로. 보편적인 생체 재료 결합 방식은 웨어러블 기기의 지능형 제조 및 조립과 같은 새로운 응용 분야로 확대될 것입니다. 이번 성과는 합성생물학 분야에서 생명공학(BT)과 정보기술(IT)을 융합하려는 연구팀의 새로운 시도다. 관련 연구 결과는 네이처 케미컬 생물학에 게재됐다.
자가 치유 재료는 최근 몇 년 동안 도입된 개념이 아닙니다. 미국의 한 의류 브랜드는 이전에 자동으로 수리할 수 있는 의류 소재를 출시했습니다. 원리는 매우 간단합니다. 실의 강도를 높여서 쇠못을 끼운 후에는 실을 자르지 못하고 실만 뽑히게 하는 것입니다. 그러나 그러한 재료는 큰 한계가 있으며 날카로운 것과 같은 쪼개짐 앞에서는 수리 기능이 더 이상 작동하지 않습니다.
그 이후로 과학자들은 섬유용 코팅 재료에 관심을 돌렸습니다. 오징어의 링-상아질(SRT) 단백질은 "자가 치유" 특성을 가지고 있습니다. SRT 단백질 코팅 직물에 따뜻한 물 몇 방울을 떨어뜨리고 섹션을 겹쳐서 약 60초 동안 누르면 섹션이 다시 연결됩니다.
그러나 이러한 자가 치유 물질과 우리가 상상하는 자가 치유 물질 사이에는 여전히 큰 격차가 있습니다. 요컨대, 이러한 수리 방법은 자체 치유에 의해 골절 표면을 가교할 수 없습니다. 반면에 정제된 단백질 물질은 더 이상 살아있는 세포에서 프로그램할 수 있는 성질을 갖지 않습니다.
살아있는 생물학적 물질
강력한 자가 치유 능력 달성
합성 생물학의 급속한 발전으로 지능적인 생물학적 생체 물질을 이용한 자가 치유 과정을 실현할 수 있게 되었습니다. 전통적인 생활 재료는 자가 수리를 달성하기 위해 미생물의 성장과 번식에 의존할 것을 제안합니다. 이 프로세스는 종종 수십 시간 또는 심지어 며칠이 걸립니다. 이러한 긴 수리 시간은 적용 시나리오를 크게 제한합니다. 이와 관련하여 연구팀은 수리 원리와 다른 접근 방식을 취하여 재료의 수리 시간을 크게 단축할 수 있는 방법을 찾았습니다.
항원과 항체 분자는 구조상 일정한 상보성을 가지고 있어(분자간 힘에 의존하여 비공유 결합을 형성함) 매우 짧은 시간에 특이적 상호작용에 의해 안정적으로 결합할 수 있습니다. 이러한 결속력은 외력에 의해 파손된 후 신속하게 회복될 수 있어 신속한 수리가 가능하다. 이 원리를 기반으로 팀은 표면에 각각 항원과 나노바디가 표시된 두 개의 변형된 균주를 구성했습니다. 이후 두 균주를 일정 비율로 혼합하고 항원과 항체의 빠른 상호작용을 통해 자가 치유력이 높은 안정적인 LAMBA 전구체 물질을 만들었다.
LAMBA 전구체 물질의 특성은 하이드로겔과 유사하기 때문에 LAMBA 물질은 기존의 물질 가공 기술(예: 3D 프린팅, 미세 유체 공학 등)을 결합하여 다양한 모양과 특성을 가진 물질로 자유롭게 가공할 수 있습니다.
'프로그래밍 가능한' 생활 재료
장치를 더 똑똑하게 만드십시오
자격을 갖춘 자가 치유 재료도 지능적이어야 합니다. 살아있는 생물학적 물질의 가장 큰 장점 중 하나는 미생물의 강력한 프로그램 가능성에 있습니다. 따라서 연구팀도 이를 두 가지 측면에서 살펴보았다.
한편, 두 개의 조작된 박테리아의 표면에 효소와 나노촉매를 표시한 다음 LAMBA 물질로 만들어 살충제의 주성분인 파라옥손을 최종적으로 저독성 p-아미노페놀로 분해하는 데 성공했다.
한편, 한 세균의 표면에는 전분 가수분해효소가 발현되고 다른 세균에서는 트레할로스 합성효소가 세포내 발현되어 전분은 먼저 전분 가수분해효소에 의해 말토스로 전환되고, 그 다음 말토스는 기질로서 다른 세균으로 이동된다. 박테리아는 trehalose synthase에 의해 세포 내에서 trehalose로 전환되었습니다.
LAMBA 소재의 슈퍼 자가 치유 능력과 지능적인 프로그래밍 능력은 연구팀이 웨어러블 기기와 바이오센서에 적용할 수 있도록 영감을 주었습니다.
웨어러블 장치는 인체의 기본 생리 신호를 감지하여 일상적인 건강 감지, 보조 재활 치료 및 기타 효과를 달성할 수 있습니다. 우수한 인장 특성과 전기 전도성은 정상적인 작동을 위한 전제 조건입니다. 테스트 후 LAMBA 재료의 전기 전도도는 반복적인 스트레칭 후에도 안정적으로 유지될 수 있습니다. 그리고 손상된 LAMBA 재료는 짧은 시간 내에 원래의 성능으로 빠르게 수리될 수 있습니다.
인체의 신경근 활동은 전기 생리학적 신호의 생성을 동반하며, 전기 생리학적 센서는 다양한 주파수의 신경근 전기 생리학적 신호를 포착하는 데 사용할 수 있습니다. 근육 전기 신호의 정확한 획득은 한편으로는 근육의 건강 상태를 평가하고 인체의 즉각적인 동작 의도를 계산 및 평가한 다음 보철 및 외골격과 같은 외부 장치를 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 실험 결과는 유연한 LAMBA 전기생리학적 센서가 근육의 전기적 신호를 정확하게 포착할 수 있으며 동일한 방법으로 제작된 단일 박테리아 또는 금박막 센서보다 더 나은 신호 대 잡음비를 나타냄을 보여줍니다.
다른 한편으로, LAMBA는 유연한 재료로서 스트레인 센서 제작에 상당한 이점이 있습니다. 금 필름으로 만든 센서와 비교하여 유연한 LAMBA 스트레인 센서는 변형 정도에 더 균일하게 반응할 수 있습니다.
합성생물학의 BT와 IT
"충돌"은 무한한 가능성을 제공합니다
일반적으로 연구팀은 빠른 자가 치유 능력을 가진 생체 물질을 발명했다. 이 재료의 우수한 성능으로 인해 많은 분야에서 큰 응용 가능성이 있습니다. IT 기술과 BT 기술은 인류의 미래 발전에 영향을 미치는 두 가지 주요 기술입니다. 과학계와 산업계는 두 분야의 통합과 교차연구를 요구해 왔다. 미래에 이 혁신적인 "BT plus IT" 협업 제조 모델은 반드시 주요 기술 혁신을 가져올 것입니다.
"우리는 이 연구를 통해 살아있는 재료의 새로운 조립 방법을 확립하기를 희망합니다. 생체 프로그래밍 가능성을 기반으로 고분자 물리학 및 화학 합성 이론을 도입하여 미생물에 새로운 특성을 부여하여 조립 재료가 신속하게 우리는 또한 합성 생물학이 무한한 가능성을 가져올 수 있다고 기대하고 믿으면서 관련된 다른 흥미로운 연구를 추진하고 있습니다." 교신저자 Zhuojun Dai가 말했습니다.
중국과학원의 학자이자 상하이교통대학 교수인 판춘하이는 이 작업이 생물체의 디자인과 편집에 큰 진전을 이루었다고 말했다. 특히 혁신적인 디자인 아이디어는고분자 물리학 및 화학에서 동적 비공유 결합에 의해 매개되는 신속한 자가 치유는 박테리아를 무장시키는 데 사용되며 고분자 과학에서 축적된 고전 시스템은 여러 학문 분야에 걸쳐 합성 생물학에 도입됩니다. 이것은 또한 우리가 미래의 생활 재료 디자인에서 재료 과학의 다른 우수한 시스템을 배우고 활용할 수 있음을 시사합니다.
중국과학원의 학자이자 중국과학원 심천첨단기술원 합성생물학 연구소 수석 과학자인 Zhao Guoping은 이 성과가 살아있는 기능성 물질 분야에 초점을 맞추고 있다고 말했습니다. 세포 분열만으로는 달성할 수 없는 살아있는 물질의 수분 내 치유. 이 문제를 해결하기 위한 영감은 동적 비공유 결합 형성 및 빠른 자가 치유 이론에서 비롯됩니다. 세균 표면 실장형 항원항체의 특성을 이용하여 빠르게 조립 및 자가 치유되는 기능성 소재를 개발하여 새로운 프로그래밍 가능한 소재 패턴을 구현했습니다. 특히 이번 작업이 근전기 신호 센서, 스트레인 센서 등 다양한 웨어러블 기기와 생체 재료를 결합해 생체와 무생물의 경계를 허물고, 생체 소재의 구성 틀을 확장했다는 점은 특히 주목할 만하다. 및 응용 분야에서 이것은 화학 생물학 및 생명 공학과 재료 과학 및 공학 과학의 교차점에 대한 연구의 "수렴"의 예입니다.