Een kunstenaarsimpressie van een E.coli met gouden curlivezels (afb: Yan Liang)

Je fröbelt wat met materialen en beestjes en dat knutselwerk levert je misschien iets op. Daar lijkt het een beetje op wat de mannen en vrouwen van het befaamde MIT in het Amerikaanse Cambridge hebben gedaan. Bacteriën met gouddraden, bijvoorbeeld of biofilms als elektronische circuits. “Ons idee is om levende en niet leven systemen samen te brengen”, zegt MIT-onderzoeker Timothy Lu. “Dat is een interessante manier om over materialen na te denken, heel verschillend van wat mensen nu doen.” Het slachtoffer is de E. coli. Misschien helpen die beestjes zelfassemblerende  systemen in elkaar te zetten.
Levende materialen noemen de onderzoekers ze. Leven reageert op de omgeving en zorgt voor ‘nageslacht’. Mensenmaterialen zijn dode materie. Geef leven functies die het normaal niet heeft of laat materialen profiteren van de mogelijkheden van levende systemen, zoiets moeten de onderzoekers hebben gedacht. Op een dag zouden we dan ‘levende’ zonnecellen kunnen hebben, zelfreparerende materialen, ‘slimme’ sensoren of iets dergelijks.
Lu en zijn collega’s richtten zich bij de bacteriën op de zogeheten curli-vezels,  eiwitvezels die de E-colibacteriën gebruiken om zich te hechten aan een onderlaag of aan elkaar om een biofilm (plaque) te vormen. Elke vezel bestaat uit een herhaling van de bouwsteen, het eiwit aangeduid met GsgA, dat gemodificeerd kan worden door er korte eiwitten (aangeduid met peptiden) aan toe te voegen. Die peptiden kunnen dood materiaal herbergen, zoals kleine gouddeeltjes.
Nu is het een kwestie de bacterie zo te ‘programmeren’ dat die curli-vezels produceert afhankelijk van de omstandigheden. De onderzoekers slaagden er in de verzamelde bacteriën in een biofilm te voorzien van gouddraden en kwantumstippen (kristalletjes met bepaalde kwantummechanische eigenschappen). Ze organiseerden het ook zo dat de bacteriën in de biolaag met elkaar konden communiceren (gebeurt, dacht ik, sowieso) en dat de biolaag in de tijd in samenstelling veranderde.
Ze maakten eerst de mogelijkheid om CsgA te produceren bij de bacteriën onklaar. Vervolgens werden de bacteriën genetisch zo aangepast dat ze dat eiwit alleen produceerden als er en bepaalde verbinding in de buurt was (AHL). Daarmee hadden de onderzoekers de aanmaak van de vezels in handen.
Vervolgens werd er verder geknutseld om de bacterie CsgA te laten aanmaken met stukken bestaand uit het aminozuur histidine, maar alleen als het molecuul aTc in de buurt is. Die twee typen gemanipuleerde E. coli’s kunnen samen in een kolonie groeien. Als zowel aTc als AHL aanwezig is, ontstaat er een mengsel van met histidine gemerkte vezels en ongemerkte vezels. Als er dan gouddeeltjes aanwezig zijn worden die door histidine ‘opgepakt’ en krijg je gouddraden door de curli-vezels ‘geweven’.
Door bacteriën zo aan te passen dat ze AHL en ongemerkte curlivezels aanmaakten, werd de productie gestimuleerd van cellen die met histidine gemerkte vezels aanmaakten. Communicatie heet dat dan bij de onderzoekers. Lu: “Het is een simpel systeem. Je laat zien dat cellen met elkaar ‘praten’ en dat de samenstelling mettertijd verandert. Op den duur willen we natuurlijke systemen nabootsen, bijvoorbeeld de vorming van bot. Niemand vertelt een bot wat het moet doen, maar het maakt materiaal aan in reactie op omgevingssignalen.” Iets soortgelijks haalden de onderzoekers uit met de kristalletjes die voor kwantumstippen moeten doorgaan.
Lu en zijn mede-onderzoekers denken bij levende materialen aan energietoepassingen als zonnecellen en batterijen, maar ook aan de omzetting van cellulose in biobrandstoffen met behulp van aangepaste biolfilms die enzymen aanmaken voor de celluloseafbraak. Ook zouden de ‘levende materialen’ kunnen dienen als geraamte voor weefselgroei om, bijvoorbeeld, organen mee te ‘bouwen’. Opmerkelijk is dat het onderzoek voor een deel is gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van defensie, het leger en de marine. Hier moet ik eens even over nadenken…

Bron: Eurekalert