За все время существования микробиологии как области науки люди использовали бактерии вида Escherichia coli (E. coli) в качестве подопытного «стенда». Раньше на них проводили различные исследования и проверяли действие всевозможных препаратов. В последнее же время, благодаря достижениям в области генной инженерии, специализированные штаммы этих микроорганизмов начали выступать в роли источников биологического топлива, биологических компьютеров и устройств хранения информации. А недавно исследователи из Массачусетского технологического института разработали способ объединения бактерий E.Coli с неживыми элементами, такими как наночастицы и квантовые точки, создав «живой материал», способный реагировать на изменения окружающей среды и обмениваться информацией в его пределах.

Специально разработанный генетический штамм бактерий E.Coli способен вырабатывать тончайшие биопленки, которые наследуют все характеристики заключенных в бактерии наночастиц.

Получившийся гибридный материал, в ответ на изменения внешних условий, может производить сложные органические и биологические молекулы, покрывать собой большие площади и приобретать другие свойства, такие, как способность проводить электрический ток, излучать свет определенного длины волны и хранить информацию в своей ДНК.

Исследования, результаты которых были описаны в журнале Nature Materials, являются демонстрацией абсолютно нового подхода к проблеме производства крупных устройств, таких, как солнечные батареи, биодатчики и самозаживляющиеся материалы, обладающие наборами заданных заранее уникальных физических, электрических, химических и механических свойств.

«Наша идея заключается в том, чтобы объединить все привлекательные стороны живого и неживого мира, что позволит нам создавать новые гибридные материалы, состоящие из специализированных живых клеток, бактерий или более сложных примитивных организмов» – рассказывает Тимоти Лу (Timothy Lu), исследователь из Массачусетского технологического института, – «Новые принципы синтеза материалов и их использования в принципе отличаются от того, что сейчас используют люди. И этот подход позволит нам в будущем реализовывать такие вещи и технологии, которые считаются сейчас чем-то из разряда научной фантастики».

Исследователи использовали бактерии E.Coli из-за их естественной способности к производству биопленок. Формируя биопленки, бактерии производят волокна из крахмалистых белков, которые позволяют пленке прикрепляться к любой поверхности и формируют структуру самой биопленки. Внеся изменения в структуру белковых волокон при помощи белков, называемых пептидами, исследователи могут получить гибридный материал, обладающий уникальными свойствами. Эти волокна могут заключать в себе наночастицы из золота и другого материала, что делает пленку токопроводящей, а включение в волокна крошечных кристаллов других веществ позволяет при помощи квантово-механических эффектов излучать или поглощать фотоны света.

Самая существенная особенность «живых» гибридных материалов заключается в способности общения отдельных микроорганизмов или частей материала между собой.

«Гибридный материал на самом деле является достаточно простой системой. Тем не менее, обмен информацией между отдельными частями материала может со временем привести к значительному усложнению его структуры. Приобретая за счет усложнения структуры новые функции и возможности, материал уподобляется живой биологической системе, которая может продолжать расти и развиваться дальше совершенно самостоятельно» – рассказывает Тимоти Лу.

В настоящее время исследователи рассматривают возможность включения новых гибридных материалов в структуру солнечных батарей, что позволит увеличить эффективность преобразования солнечного света в электрическую энергии.

А позже исследователи собираются разработать гибридные покрытия, в составе которых будут находиться определенные ферменты, способные расщеплять целлюлозу, что может быть использовано для переработки сельскохозяйственных отходов в биологическое топливо.