Радужные биопленки Cellulophaga lytica представляют собой настраиваемые платформы для масштабируемых упорядоченных материалов.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13192 (2023) Цитировать эту статью

774 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Природа предлагает множество примеров материалов, которые проявляют исключительные свойства благодаря иерархической компоновке своих составляющих. В хорошо изученных многоклеточных системах, таких как морфо-бабочка, видимым признаком наличия упорядоченных субмикронных особенностей является отображение структурного цвета. Детальные исследования замыслов природы привели к механистическому пониманию и привели к разработке биомиметических материалов в лабораторных масштабах. Однако производство иерархических сборок в промышленных масштабах остается затруднительным. Биопроизводство стремится использовать автономность биологических систем для производства материалов с меньшими затратами и меньшими выбросами углерода. В более ранних сообщениях было зафиксировано, что некоторые бактерии, особенно обладающие скользящей подвижностью, самоорганизуются в биопленки с поликристаллической структурой и демонстрируют блестящие, переливающиеся цвета. Текущее исследование демонстрирует потенциал использования одной из этих бактерий, Cellulophaga lytica, в качестве платформы для крупномасштабного биопроизводства упорядоченных материалов. Сообщается о конкретных подходах к контролю оптических, пространственных и временных свойств биопленки C. lytica. Дополнительные исследования на основе микроскопии показывают, что изменения цвета биопленок объясняются изменениями в морфологии, вызванными клеточными реакциями на местную окружающую среду. Также продемонстрировано включение биопленок C. lytica в материалы, что облегчает их обращение и последующую обработку, что может потребоваться в ходе производственных процессов. Наконец, в этом исследовании установлена ​​полезность C. lytica в качестве самопечатающихся фотонных чернил. Таким образом, автономная поверхностная сборка C. lytica в условиях окружающей среды и в различных масштабах позволяет обойти проблемы, которые в настоящее время препятствуют производству заказанных материалов в промышленных условиях.

Изменяющаяся и суровая окружающая среда заставляет биологические системы разрабатывать стратегии выживания. Структурная иерархия является распространенным ответом на такие проблемы и является основой заметных свойств и функциональности материала1,2. Хотя исследователи разработали биомиметические материалы, основанные на принципах проектирования природы, производство иерархических материалов в промышленных масштабах остается сложной задачей3,4,5. Биопроизводство потенциально может сократить потребление энергии и выбросы углерода за счет использования живых организмов для производства сложных материалов6,7,8. Особое внимание уделяется бактериальным чернилам, встроенные в которые клетки позволяют 3D-печать функциональных материалов9,10. Исследователи сообщают об успехах в лабораторных исследованиях в создании паттернов бактерий для дополнительного контроля с помощью наноструктур, электрических полей и оптогенетики11,12,13.

Структурная окраска, возникающее свойство, связанное с бактериальными колониями, возникает в результате взаимодействия света с повторяющимися иерархическими субмикронными структурами. У многоклеточных организмов структурный цвет усиливает важные функции, включая сбор света, спаривание, защиту и общение14,15,16,17. Радужность, или структурная окраска, зависящая от угла, часто включает в себя комбинации пигментов, иридофоров и многослойных структур, которые прикреплены к мембранам эукариот18,19. Прокариотические системы, включая роды Cytophaga, Flavobacterium и Cellulophaga, также демонстрируют радужность, и точные механизмы этого процесса в настоящее время изучаются несколькими группами20,21,22. Радужность этих бактерий определяется как структурный цвет с пиковой интенсивностью, зависящей от угла. Обратите внимание, что это отличается от переливчатости, обычно свойственной бабочкам и раковинам моллюсков, где отраженная длина волны также зависит от угла. В лабораторных условиях штаммы Cellulophaga lytica самоорганизуются в кооперативные трехмерные сообщества, известные как биопленки, генерирующие переливы дискретных длин волн22,23. Скоординированная скользящая подвижность способствует упорядочению бактерий на коротких дистанциях на больших площадях24,25,26. В исследованиях Кентца и др. блестящая переливчатость вызывалась различными штаммами C. lytica, включая морские изоляты DSM 2040 и CECT 8139 из аквариумов с морской водой в Ла-Хойе, США, и на острове Олерон, Франция, соответственно23. Было показано, что способность скользить и факторы окружающей среды, такие как температура, соленость и т. д., влияют на радужность20,27,28. C. lytica DSM 7489 (также известный как CIP 103822 и Lim 21T; первоначально выделенный из пляжной грязи в Лимоне, Коста-Рика) имел значительно менее переливающийся цвет и использовался в качестве отрицательного контроля в экспериментах20,22,23. В соответствии с нашей целью разработать иерархические материалы, пригодные для биопроизводства, в этом исследовании охарактеризованы радужные биопленки коммерчески доступного штамма C. lytica, DSM 7489, и разработаны стратегии управления оптическими и пространственными свойствами биопленок. Таким образом, была продемонстрирована полезность биопленок C. lytica в качестве платформы для разработки устойчиво производимых упорядоченных материалов.