הביולוגיה הסינתטית מעצבת מחדש את הנוף של מדעי החומרים על ידי מתן ערכת כלים למהנדס תאים חיים ומולקולות ביולוגיות לחומרים היברידיים המציגים תכונות הרבה מעבר לחומרים קונבנציונליים.חומרים ביו-היברידיים אלה משלבים את דינמיות המערכות הביולוגיות – כגון כאבי-עצמיות, תגובה לשינויים סביבתיים בת-קיימא, והתאמה ביולוגית – עם הכוח המכאני, מוליכות, עמידות או עמידות סינתטית של רכיבים.

הבנת חומרים biohybrid

(החומרים המבוזרים) הם מורכבים המשלבים ישויות ביולוגיות חיים – תאים שלמים, חלבונים מהונדסים, או מעגלים גנטיים – עם דחייה סינתטית שאינה חיה (לא חיה) (7 קרמיקה), אלה היברידיים יכולים לקצור אנרגיה מהסביבה שלהם, להגיב לגירויים כימיים או פיזיים, ואפילו לשחזר או לשחזר אותם בתנאים הנכונים של פחמן-רפואיים, כולל חומרים כימיים-חשמליים:

חומרים אלה לעתים קרובות תופסים את mesoscale בין ביולוגיה מולקולרית לבין הנדסה מקרוסקופית.לדוגמה, חוקרים במכון וויסנדס הנדס גנטית essoscale לייצר חלבונים דמויי משי שניתן לחדור לתוך סיבים חזקים יותר מאשר פלדה אך לחלוטין biodegradable. בדומה, מעבדת המדיה של MIT Media מעבדת שימוש בחיידקים חיים "מתאים" כדי לייצר סיבים סולליים, אשר ניתן לעצב לתוך גלקסיות מכניות עצמיות רק כדי לתאר דוגמאות מורכבות כגון הנדסת טבע.

כלי ביולוגיה סינתטיים עבור עיצוב חומרי

היכולת ליצור חומרים ביו-היברידיים מסתמכת על חבילת כלים מולקולריים המאפשרים מניפולציה מדויקת של מידע גנטי והתנהגות סלולרית. להלן הן הטכנולוגיות המשפיעות ביותר כיום בתחום זה.

CRISPR-Cas9 ו-Genome Advanced Editing

(CRISPR-Cas9 מהפכה בהנדסה גנטית על ידי מתן שינויים ממוקדים עם דיוק חסר תקדים.עבור סינתזה חומר, זה אומר להכניס גנים עבור עכביש, חלבונים דבקים, או קליטה אור לחיקוי לתוך אורגניזמים מארחים כמו שמרים, חיידקים, או אפילו תאים צמחיים.

הנדסת Pathway

כדי לייצר כמויות גבוהות של biomolecules ספציפיים - כגון צלולוז, צ'יטין, קולגן, או פוליסטרים - מדענים הפניית פלוקסים מטבוליים סלולריים.זה כרוך באנזימים מכוננים בקצב גבוה, ניתוק מסלולים מתחרים, ולהציג את שיטות ביו-סינספורטיביות heterologous ללא גירוי גנטי, לדוגמה, מהנדס:0E coli coal coal coal coal copheric coLTeric coler לנטרל עכשיו תכונות אופטיות אופטיות אופטיות אופטיות אופטיות אופטיות כגון חומרים מזינים תאים אופטיים אופטיים.

מעגל ג'ין סינתטי

מעגלים גנטיים מספקים התנהגות דינמית לתאיים משובצים בחומרים.על ידי חיישניים, שערי לוגיקה, ופועלים לדנ"א, החוקרים יכולים ליצור ביו-חומרים להגיב לאור, טמפרטורה, pH, או כימיקלים ספציפיים. יישום קלאסי הוא מעגל סינון "פס-פס" המפעיל ייצור של אנזים הידרו-קרוס-קרוס רק כאשר ה- pH נמצא בתוך חלון נפיחות צר, המאפשר זיהוי עצמי של סדקים לאחרונה, השתמשו בחומרים סינתטיים.

הנדסת חלבון ואבולוציה ישירה

חומרים ביו-היברידיים רבים מסתמכים על חלבונים בעלי תכונות מיוחדות – כגון חוזק רב-עוצמה גבוהה, דבקות או פעילות אנזומטית.Directed Evolution Iteratively mutates גן ומסכים של חלבון עבור תפקוד משופר.This has giveed גרסאות של FLT:0spiderline rereiderline 1 עם עד 50% קשיחות גבוהה יותר, ו-Fmus:2 רק חלבונים רצופים כגון סוללות קיפולטבוניים, כגון סוללות צפידמים רצופיים.

ביולוגיה סינתטית ללא תאים

מערכות ללא תאים להסיר את הצורך תאים חיים על ידי שימוש טיהור מטוהר מכונת translation.זה מאפשר הסתברות מהירה של מבנים גנטיים ייצור של חלבונים רעילים כי יהרגו תא מארח.עבור חומרים ביו-היברידיים, תמצית ללא תאים יכול להקפיא את הקפאה על נייר או בתוך מטבולי פולימר, יצירת "מרכיבים" כי מסנתנת חלבונים טיפוליים או על גבי רציפים המיוצרים.

Genomics סינתטי ו-Minimal Genomes

על ידי פסציה של גנום חיידקי לגנים חיוניים, החוקרים יוצרים תאים של כאסאס עם נטל מטבולי מופחת, מה שמצביע על יותר משאבים לייצור חומרי.התא המינימלי של המכון ג'יי קרייג ונטר (JCVI-syn3.0) שימש כדי לבטא חלבונים סינתטיים בתשואות גבוהות.תאים מינימליים אלה גם מפשטים את ההרכבה של מעגלים גנטיים סינתטיים על ידי הסרת צוואר הבקרה של הילידים, מהחומרים, מה שהופך תכונות חומריות יותר צפויות.

עיצוב וזרימת עבודה

יצירת חומר ביו-היברידי בדרך כלל עוקב ארבעה שלבים מקושרים: עיצוב חישובי, ייצור ביולוגי, ייצור, ייצור, ייצור ואפיון.

עיצוב משלים

לפני כל עבודה רטובה, מודלים כלים לדמות כיצד שינויים גנטיים ישפיעו על ביצועים חומריים.תוכנת עיצוב DNA (למשל, Cello, GenoCAD) מאפשר למשתמשים לציין מעגלים גנטיים ולצפות את הפלט שלהם. סימולציות מולקולריות - כגון אלה לרוץ עם GROMACS - לחזות כיצד חלבונים מהונדסים יתקפלו ואינטראקציה עם מודלים סינתטיים של למידה מכונה יותר מנבאים את רמות הביטוי עם תכונות אופטיות או ניסיון התאבדותי, עבור ניסויים מכניים, צורך ניסיון התאבדותי.

ייצור ביולוגי

(ב) לאחר שעיצוב הוא סופי, יש לייצר את המרכיב הביולוגי במארח מתאים.הפועלים המשותפים כוללים את ה- pH:0E. coliveFLT:1 (עבור חלבונים ומולקולות קטנות), FLT:2Saccharomycess cerevisiaeFLT 3: (עבור חלבונים מורכבים הדורשים גליקולציה), ו-FLT:4Balus subreaiss (כלומר, לדוגמה, מיקרו-Edialation) ניתן לבדיקות תאים (D) של תאים קטנים).

שיטות האסיפה

המרכיבים הביולוגיים חייבים להיות משולבים עם מזחלות סינתטיות לחומר כפייתי.טכניקות רבות פותחו:

  • (FLT:0) 3D ביו הדפסה: תאים חיים 1FLT:1ir מושעה ביו-ink המכיל הידרוגלים סינתטיים (למשל, אלג'ינטה, pluronic) ושכבה מפורצת על ידי שכבה.זה מאפשר שליטה מרחבית מדויקת על מיקום התא, המאפשרת גיאוגרפיות מורכבות כמו רשתות vascular.
  • (FLT:0)Self-assembly:FreaLT:1) חלבונים ממונדסים או ננו-דנ"א יכולים לשמש כאבני בניין שמארגן באופן ספונטני למערךים מסודרים, לעתים קרובות מופעלים על ידי שינויים בטמפרטורה או ב- pH.
  • (FLT:0) Electrospinning: 1FLT:1 פולימרים המכילים מולקולות ביולוגיות הם נצמדים לחונות שאינם שזורים, ומייצרים פיגומים גבוהים להנדסת רקמות או סינון.
  • (FLT:0)Layer-by-layer deposition: irFLT:1 , אלטרנטיד שכבות של חומרים ביולוגיים וסינטטיים בנוי על תת-קרקעי, יצירת סרטים עם עובי מבוקר ושחרור קינטיקה.

סיווג ובדיקה

לאחר ההרכבה, החומר חייב להיות מאופיין ביסודיות.בדיקות מכניות (tensile, דחיסה, rheology) אמצעים כוח, גמישות ויעילות של עצמו-healing microscopy ו- confocal הדמיה להעריך את יכולת התא ואת ההפצה המרחבית. שיטות Spectroscopic (IR, Raman) לאשר שילוב כימי של שלבים ביולוגיים וסינטטיים.

קידום יישומים וקידוםים אחרונים

הגמישות של חומרים ביו-היברידיים מובילה לפריצות דרך על פני מגזרים מרובים. להלן הם חלק האזורים הפעילים ביותר של מחקר ופיתוח.

מכשירים רפואיים ומרפאות

חומרים ביו-היברידיים מציעים יתרונות שאין דומים ברפואה.FLT:0 (Living הפצעים ההלבשה 1) משלבים חיידקים מהונדסים המייצרים פטידים מיקרוביאליים וגורמי צמיחה, עלייה בריפוי. A מחקר באוניברסיטת שיקגו הראה כי חליפות מסוג זה מופחתות ב-MIT-Flowed תאים ממוחזרים לאחרונה.

המונחים: remediation

חומרים המזהים את האקטואנטים ועונים באופן אוטונומי מפותחים.0 חיישנים חיים:0 (Livingחיישנים) 1 הטמיעו תאים חיידקיים עם היתוך מקדם-reporter כי פלורסצ'ה בנוכחות מתכות כבדות או חומרי נפץ.

טקסטיל חכם ולבוש

בגדים שמתאימים לסביבה של הלובש הם יישום מתפתח.סיבים ביוהמיד המכילים את ⁇ :0) חיידקים אלקטרוניקה אלקטרונית ibFLT:1 (למשל, FLT:2 Shewanella OneidensisFLT 3: 3) לייצר זרמים חשמליים קטנים מ metabolites, כוח חיישנים אנרגיה נמוכה.

אחסון אנרגיה וסגירה

סוללות ביוהיברידיות מסתמכות על מולקולות ביולוגיות לאלקטרונים מעבורת:0 תאים דלק אנזימים FLT:1 להשתמש גלוקוז חמצון או מימןase כדי חמצון, לייצר חשמל עם מפרט גבוה ואין חומרים רעילים על ידי חומרים רעילים. סוללות ביו-היברידיות מבוססות נייר הוצעו עבור אבחון רפואי חד פעמי.

בנייה ואדריכלות

חומרי בניין חיים - כגון FLT:0) עצמו-healing בטוןFLT ( 1:1 המכיל חיידקים כי precipitate סידן פחמןate - כבר ממוסחרים.החברה BioMason משתמשת מיקרובים ממונדסים כדי לגדול לבנים מחול ו-urea, חיסול טביעת הרגל פחמן של חימר.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות מהירה, יש להתגבר על כמה מכשולים לפני חומרים ביו-היברידיים הופכים לנפוצים.

סקלאלה וייצור

רוב החומרים הביו-היברידיים מיוצרים בקנה מידה המעבדה. Scaling דורש תהליכי תסיסה חזקים, סינתזת פולימרים סינתטית עקבית, וטיהור יעיל של רכיבים ביולוגיים.חיי המדף של מרכיבים חיים הוא גם דאגה - תאים קפואים יכולים בחודשים האחרונים, אבל ברגע hydrated, viability ירידה.

מכיל ובטיחות ביולוגית

באמצעות אורגניזמים מהונדסים בסביבות פתוחות מעלה שאלות על העברת גנים אופקית, הפרעה אקולוגית ואפקטים לא מאומתים. חוקרים מפתחים FLT:0kill מתגי FLT:1 כי תאים בלתי יעילים לאחר זמן מסוים או בהיעדר גורם חיצוני.Synthetic auxotrophies (requiring non-טבעי חומרים מזינים) מגבילים הישרדות מחוץ לתנאים מבוקרים, עם זאת מסגרות רגולטוריות (gf) דורשות לסיכון מסחרי.

שילוב של AI ו- Machine Learning

עיצוב מעגלים גנטיים אופטימליים ונוסחאות חומריות הוא מורכב.מודלים של AI יכולים לחזות אילו מוטציות משפרות את תפקוד החלבון, אשר תבניות ביטוי גנים מניבות תכונות חומריות הרצויות, ואשר סינתזה ממזערת את הפגמים.מעבדות אוטומטיות (מערכות אנדרוגניות המפעילות אלפי ניסויים במקביל) בשילוב עם אלגוריתמי למידה פעילים יכולים להאיץ אלגוריתמים של גילוי דרמטי של חברות כמו גינקוגו יצירות ו- Zygen כבר להשתמש בפלטפורמות כאלה לפיתוח חומרים.

השלכות מוסריות וסוציליות

כמו בכל טכנולוגיה מתפתחת, חומרים ביו-היברידיים מעלים שאלות אתיות.מי צריך להיות גישה לכלים שמתכננים מחדש את החיים? כיצד אנו מבטיחים הפצה שוויונית של יתרונות ברפואה ובניקוי סביבתי?

מסקנה

ביולוגיה סינתטית היא פותחת מרחב עיצוב חדש לחלוטין למדע החומרים.על ידי מינוף תאים חיים עם הוראות גנטיות לייצר רכיבים ספציפיים, ולאחר מכן שילוב רכיבים אלה עם מגרות סינתטיות, החוקרים יכולים ליצור חומרים ביו-היברידיים כי הם עצמם-healing, תגובה, ביו-אי-התאמה, ותוכניתי.מתאים חיים כי תרופות נגד הביקוש לחומרים בנייה סינתטיים אשר להפחית את החלבון המדויק, הם רק כדי לקצר במהירות, כמו חומרים אנטי-פריים גנטיים לא-מסלולאריים, כמו מערכות מתוחכמות, כמו תאים מבוזרים מתקדמים, לא-מחדשים, כמו גם תאים מבוזרים.