Forschende der Rice University haben neue Wege gefunden, um sogenannte „Engineered Living Materials“ (ELMs) gezielt anzupassen. Ihre Arbeit, die in einer Sonderausgabe von „ACS Synthetic Biology“ unter dem Titel „Genetically Modifying the Protein Matrix of Macroscopic Living Materials to Control Their Structure and Rheological Properties“ veröffentlicht wurde, zeigt, wie genetische Modifikationen die Struktur und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien beeinflussen können. Diese Erkenntnisse könnten für die Gewebetechnik, die kontrollierte Medikamentenfreisetzung und den 3D-Druck lebender Strukturen von großer Bedeutung sein, wie die Rice University auf ihrer Website schreibt.
Modifizierte Protein-Matrizen für maßgeschneiderte Materialien
Im Zentrum der Studie steht die Veränderung von Protein-Matrizen – Netzwerke aus Proteinen, die ELMs ihre Struktur verleihen. Das Forschungsteam entdeckte, dass schon kleine genetische Änderungen erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Materialien haben.
Caroline Ajo-Franklin, Professorin für Biowissenschaften und leitende Autorin der Studie, erklärte:
„Wir entwickeln Zellen, um anpassbare Materialien mit einzigartigen Eigenschaften herzustellen. Obwohl uns die synthetische Biologie bereits Werkzeuge zur Feinjustierung dieser Eigenschaften bietet, blieb die Verbindung zwischen genetischer Sequenz, Materialstruktur und Verhalten bisher weitgehend unerforscht.“
Die Forschenden verwendeten das Bakterium Caulobacter crescentus, das so verändert wurde, dass es ein Protein namens BUD („bottom-up de novo“) produziert. Dieses Protein ermöglicht es den Bakterien, sich zu vernetzen und zu stabilen Strukturen heranzuwachsen. Diese als BUD-ELMs bezeichneten Materialien wurden durch unterschiedliche Längen elastinartiger Polypeptide (ELPs) variiert.
Unterschiedliche mechanische Eigenschaften durch genetische Anpassung
Das Team charakterisierte drei Varianten dieser Materialien:
- BUD40 mit den kürzesten ELPs bildete dickere Fasern und war insgesamt steifer.
- BUD60 hatte mittellange ELPs und zeigte eine Mischung aus Fasern und Kugelstrukturen, wodurch es besonders widerstandsfähig gegen oszillierende Deformationskräfte wurde.
- BUD80 besaß die längsten ELPs und bildete dünnere Fasern, was zu einer geringeren Steifigkeit und einer höheren Bruchanfälligkeit führte.
Mechanische Tests zeigten, dass diese Unterschiede nicht nur optischer Natur waren: BUD60 erwies sich als besonders widerstandsfähig gegenüber äußeren Kräften und könnte sich somit für Anwendungen wie den 3D-Druck oder die kontrollierte Medikamentenfreisetzung eignen.
Alle Varianten wiesen zwei entscheidende Eigenschaften auf: Sie zeigten ein scherverdünnendes Verhalten und konnten große Mengen Wasser speichern – etwa 93 % ihres Gesamtgewichts. Dies macht sie besonders interessant für biomedizinische Anwendungen wie Zellwachstumsträger in der Gewebetechnik oder Systeme für die gezielte Wirkstoffabgabe.
Esther Jimenez, Hauptautorin der Studie und Doktorandin im Bereich Biowissenschaften, sagte:
„Diese Studie gehört zu den ersten, die sich darauf konzentrieren, lebende Materialien mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften zu entwickeln, anstatt nur biologische Funktionen hinzuzufügen.“
Darüber hinaus könnten die selbstorganisierenden Materialien auch für Umweltanwendungen oder nachhaltige Energiegewinnung eingesetzt werden, beispielsweise zur Entwicklung biologisch abbaubarer Strukturen oder zur Nutzung natürlicher Prozesse zur Energieerzeugung.
Carlson Nguyen, Co-Autor der Studie, ergänzte:
„Unsere Arbeit zeigt, wie wichtig das Verständnis der Beziehungen zwischen genetischer Sequenz, Materialstruktur und mechanischen Eigenschaften ist. Mit diesem Wissen legen wir den Grundstein für die Entwicklung der nächsten Generation lebender Materialien.“
Die Forschung wurde unter anderem durch ein Stipendium der National Science Foundation, das Cancer Prevention and Research Institute of Texas und die Welch Foundation gefördert.