Бактерии превращаются в стеклянные микролинзы

Фотоника — область науки и техники, которая занимается оптическими сигналами и созданием светоуправляемых устройств. Как для электроники необходимо было создать полупроводниковую элементную базу, так для фотоники нужны инновационные устройства генерации света и оптические материалы, формирующие узкие интенсивные лучи. Производство таких материалов сложно и часто бывает токсичным. Авторы нового исследования, результаты которого опубликованы в PNAS, использовали подходы синтетической биологии для создания экологически чистых полисиликатных микролинз.

Некоторые морские губки полимеризуют диоксид кремния в полисиликат («биостекло»). Единицы скелета стеклянных губок, называемые спикулами, не только прочны, но и демонстрируют волноводные свойства. Для полимеризации диоксида кремния нужен единственный фермент — силикатеин. Исследователи из Рочестерского университета (США) и Дельфтского технологического университета (Нидерланды) получили генноинженерные штаммы Escherichia coli, экспрессирующие силикатеин. Модифицированные бактерии покрывают себя слоем биостекла, превращаясь в живые микролинзы.

Обычная клетка E. coli дикого типа сама по себе способна фокусировать свет, но авторы показали с помощью математического моделирования, что клетка, покрытая однородным слоем полисиликата, будет генерировать гораздо более яркий луч (фотонную нанострую).

Для того, чтобы бактерии экспрессировали полимеризующий SiO₂ фермент на своей поверхности, ген силикатеина из морских губок Tethya aurantia или Suberites domuncula сливали с бактериальным белком внешней мембраны A (OmpA) или белком образования льда (ice nucleation protein, INP — эти белки грамотрицательных бактерий способствуют появлению ледяных кристаллов, которые повреждают растения). Наиболее удачными оказались конструкции OmpA — силикатеин S. domuncula (SdSil) и OmpA — силикатеин T. aurantia (TaSil)

Иммунофлуоресцентный анализ подтвердил, что силикатеин экспрессируется на внешней поверхности клеток обоих штаммов кишечной палочки. Чтобы проверить, образуют ли ферменты слой полисиликата, штаммы инкубировали с ортосиликатом и окрашивали родамином 123, который адсорбируется на силикатных материалах. Оба штамма, экспрессирующие силикатеин, ярко окрашивались родамином 123 по внешней границе клеток, в отличие от бактерий дикого типа. Окрашивание повторили на клетках, которые хранились месяц или пять месяцев в буфере после инкубации с силикатом, и подтвердили стабильность стеклянного слоя.

Просвечивающая электронная микроскопия показала, что клетки, покрытые полисиликатом, имеют более ровную поверхность мембраны. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии — энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (SEM-EDS) обнаружил, что кремнезема в модифицированных клетках значительно больше, чем в клетках дикого типа.

Наконец, авторы продемонстрировали способность бактериальных нанолинз генерировать фотонные наноструи. Для этого их освещали с помощью специально сконструированного микроскопа. Инкапсулированные бактерии давали световой луч почти на порядок ярче немодифицированных.

Рост инкапсулированных клеток замедлялся по сравнению с клетками дикого типа. При хранении после инкубации с SiO₂ значения КОЕ всех штаммов уменьшались; они снизились до неопределяемых уровней через четыре месяца для штамма SdSil и через пять месяцев для штаммов TaSil и дикого типа. При этом клетки оставались метаболически активными в течение четырех-пяти месяцев, то есть их деление замедлялось, но они были живыми.

Таким образом, методами синтетической биологии из бактерий можно получить микролинзы — оптические устройства, способные генерировать фотонные наноструи. Жизнеспособность клеток в стеклянных капсулах открывает возможности для приложений sense-and-respond («воспринимай и реагируй»), отмечают авторы: живая клетка может изменять оптические свойства в ответ на тот или иной сигнал.

Небиологические подходы также позволяют получать сферические микрочастицы из SiO₂ или полистирола, но микросферы производят короткие наноструи, что затрудняет передачу сигнала. Бактериальные же частицы имеют форму микроцилиндров, и хотя длина их варьирует от одного до трех микрометров, ширина достаточно постоянна. Производство бактериальных микролинз является экологически чистым, выход продукции может быть высоким. Есть возможность варьировать как форму и размер бактериальных клеток, так и состав капсулы (силикатеины способны минерализовать различные субстраты). По мнению авторов, этот подход в перспективе может совершить революцию в оптике и фотонике.

Бактерии-киборги проникают в раковые клетки