Инновации в области материаловедения и биотехнологий открывают новые возможности для создания материалов, которые не только взаимодействуют с окружающей средой, но и адаптируются к ней, используя живые клетки. Одним из таких инновационных направлений являются инженерные живые материалы (Engineered Living Materials, ELMs), в которых соединяются свойства живых организмов с функциональностью синтетических или полусинтетических материалов. Исследования в данной области значительно расширились благодаря использованию микроорганизмов, например цианобактерий, способных производить биологически активные вещества, изменяющие свойства природных и синтетических полимеров. Цианобактерии с их фотосинтетической активностью и способностью к продукции ферментов становятся перспективным компонентом живых материалов. Они могут использоваться для преобразования энергии, биодеградации и других важных процессов.
Однако интеграция живых клеток в синтетические полимерные структуры зачастую осложняется токсичностью мономеров или другими техническими проблемами. Классическим способом создания живых материалов является смешивание клеток с предшественниками полимеров до их затвердевания, что приводит к необходимости их выживания в токсичных условиях. Решение этой проблемы было найдено через инновационный подход, позволяющий диффундировать живые клетки внутрь уже затвердевших гидрогелей, минуя воздействие токсичных мономеров на стадии полимеризации. Температурно-чувствительные гидрогели на основе наноклея и поли(N-изопропилакрилламида) (NC-PNIPAm) обладают уникальным свойством обратимого изменения объема под воздействием температуры. При повышении температуры выше критической LCST-гидрогель сокращается, а при снижении – расширяется.
Этот эффект позволяет, используя попеременное смачивание и высушивание, создавать условия для внедрения цианобактерий Synechococcus elongatus в гидрогель без воздействия токсичных компонентов. Как только клетки проникают внутрь гидрогеля, они начинают активно расти, поддерживая жизнедеятельность в гидрогелевой матрице, что подтверждается визуализацией автолюминесценции хлорофилла a. В процессе культивирования исследователи заметили уникальное явление: гидрогель постепенно терял свою жесткость и изменял форму, демонстрируя уменьшение кривизны гибки. Это связано не только с физическим изменением воды и объемных свойств гидрогеля из-за температуры, но и с биологической активностью внедренных цианобактерий. Путём анализа среды вокруг гидрогеля было выявлено, что цианобактерии секретируют внеклеточный фермент – аммидазу, не описанную ранее в таком контексте.
Аммидаза каталитически разрушает амидные связи в структуре гидрогеля, вызывая частичное его разложение и, как следствие, изменение механических характеристик. Что делает данное открытие особенно актуальным, так это то, что использование диффузии для введения живых клеток в гидрогель позволяет применять материалы, ранее неприемлемые из-за токсичности мономеров. Традиционные методы создают химически совместимую среду на этапе полимеризации, ограничивая выбор материалов. Новая методика предлагает уникальную возможность соединять биологические и синтетические компоненты, тем самым расширяя спектр прикладных материалов. Подробное исследование механики материала с встроенными цианобактериями показало значительные изменения локального модуля Юнга.
Повышенная плотность клеток наблюдается ближе к поверхности гидрогеля, формируя так называемый псевдо-слоистый материал, где слой с высокой концентрацией клеток имеет меньшую жесткость по сравнению с внутренними слоями. Такая неоднородность вызывает сложные изменения формы и деформации гидрогеля при перепадах температуры. Более того, выявленная активность аммидазы, названной AmiX, уточнена с помощью генного мутанта цианобактерий, лишённого способности синтезировать этот фермент, что подтверждает прямую связь между присутствием AmiX и разрушением гидрогеля. Этот профиль активности внеклеточной аммидазы несёт серьёзные практические последствия. Во-первых, она может служить инструментом управления механическими свойствами материалов в реальном времени, открывая горизонты создания материалов с умными и адаптивными функциями.
Во-вторых, знания об активности AmiX могут быть использованы для разработки биоремедиационных систем, где биологическое разрушение полимерных субстратов необходимо контролировать и использовать с пользой. Помимо фундаментальных исследований созданной системы, внимание уделяется широкой области применения живых материалов с такими характеристиками. В биосенсорах и мягкой робототехнике перспективно использование материалов, способных менять форму, реагируя на температуру и присутствие биомолекул, что обеспечивает динамичное взаимодействие с окружающей средой. Живые материалы предоставляют большие возможности для изготовления самовосстанавливающихся покрытий, одежды и оборудования с интегрированными живыми элементами для мониторинга состояния здоровья, качества окружающей среды и других задач. Отдельным направлением будущих исследований является глубинное понимание роли аммидазы AmiX в физиологии цианобактерий.
С одной стороны, фермент может быть механизмом адаптации, обеспечивая источник азота за счет гидролиза амидных связей. С другой стороны, его активность по гидролизу амидных связей в синтетических материалах иллюстрирует потенциальное взаимодействие цианобактерий с искусственными полимерами и природными макромолекулами, что открывает новую страницу в исследовании биоинтерфейсов. Современный подход, объединяющий температурно-чувствительные гидрогели с фотосинтетическими микроорганизмами, является примером сложной интеграции биологии и материаловедения. Применение технологий трехмерной печати для создания структур с повышенной площадью поверхности обеспечивает оптимальные условия для доступа света и газообмена, стимулируя рост и активность клеток. Подобные живые материалы могут быть использованы в будущем для создания живых сенсорных устройств или биореакторов с программируемыми свойствами.
Таким образом, исследование показало не только техническое решение проблемы включения чувствительных живых клеток в токсичные гидрогели за счет диффузии, но и обнаружило новую биологическую активность, существенно влияющую на физико-химические характеристики созданного живого материала. Это демонстрирует перспективы дальнейшей интеграции биологических систем и синтетических материалов, открывая путь к созданию интеллектуальных, адаптивных и функциональных материалов для широкого спектра применений.
