Многие живые организмы способны изменять свою структуру в ответ на экологические факторы, например колебания влажности. Так, сосновая шишка при попадании в воду «закрывается»: ее чешуйки состоят из двух слоев, которые расширяются с разной скоростью, и один из них, расширяясь быстрее, деформирует другой. Поглощать влагу из воздуха могут и наиболее распространенные компоненты живых клеток — белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Это свойство позволяет использовать клетки для «выращивания» «умных» материалов, однако до сих пор усилия ученых были сосредоточены на синтезе последних. Помимо безопасности и доступности, клетки могут быть отредактированы, что обеспечивает возможность программировать характеристики продукта.

В новой работе сотрудники Массачусетского технологического института, Национального университета Сингапура и других учреждений проверили эти гипотезы. На первом этапе они путем биопринтинга параллельными линиями разместили непатогенный штамм кишечной палочки (Escherichia coli) на подложках из натурального латекса. Общая толщина полученных таким образом биогибридных пленок составила 151–505 микрометров. Затем авторы помещали материал в условия с низкой (15 процентов) и высокой (95 процентов) влажностью. В результате при нехватке влаги пленка начинала изгибаться, а при избытке — восстанавливать форму. Наблюдения методом атомно-силовой микроскопии подтвердили, что в основе механизма лежит дегидратация клеток.

Принцип деформации пленок (A), совместная карта пота-тепла (D) и расположение клапанов в соответствии с картой (E) / ©Wen Wang et al., Science Advances, 2017

Помимо изменения структуры, ученые проанализировали потенциал пленок для редактирования. Для этого они культивировали E. coli, геном которых содержал плазмиду (двухцепочечную кольцевую молекулу) с зеленым флуоресцентным белком (GFP). Последующие эксперименты показали, что экологический стресс не только вызывает изгибание таких подложек, но также уменьшает их свечение, которое возобновляется при высокой влажности. Чтобы распространить опыт на иные микроорганизмы, они успешно повторили процедуру на двух других типах биогибридных пленок — с грамотрицательными (E. coli или Pseudomonas nitroreducens и Saccharomyces cerevisiae) и грамположительными бактериями (Bacillus subtilis и Rhodococcus erythropolis) соответственно.

Поскольку разные бактериальные клетки обладали сопоставимой гигроскопичностью, исследователи оценили роль макромолекул в наблюдаемых деформациях. Печать на подложках отдельных соединений позволила прийти к выводу, что к наиболее выраженному изменению структуры приводит дегидратация белков и в меньшей степени — нуклеиновых кислот и полисахаридов. Наконец, для демонстрации практического применения технологии авторы разработали прототип спортивной одежды с клапанами из биогибридных пленок. В этом случае слой клеток заключался в «сэндвич» из латекса — это фокусировало реакцию только на потоотделении и предотвращало ответ на изменения влажности во внешней среде. Клапаны были расположены в соответствии с картами тепла и пота.

Одежду испытывали в на беговой дорожке и велотренажере: динамику клапанов сопоставляли с температурой тела и потоотделением добровольцев, регистрируемых с помощью датчиков iButton, а также самоотчетом. Спустя примерно пять минут после начала занятия биогибридные клапаны открывались — момент соответствовал росту влажности и температуры кожи. По сравнению с контрольными образцами конструкция лучше охлаждала пространство между телом и латексом и отводила влагу. Дополнительно ученые представили сандалии с флуоресцентными клапанами на подошве. По их мнению, программируемые материалы на основе живых клеток могут открыть широкие возможности для науки, промышленности и медицины. Описанный подход является масштабируемым и нуждается в дополнительных исследованиях.

Статья опубликована в журнале Science Advances.

Видеозапись испатаний одежды / ©Wen Wang et al., Science Advances, 2017