Cellulophaga lytica의 무지개빛 생물막은 확장 가능하고 정렬된 재료를 위한 조정 가능한 플랫폼입니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13192(2023) 이 기사 인용

774 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

자연은 구성 요소의 계층적 집합으로 인해 뛰어난 특성을 나타내는 재료의 많은 예를 제공합니다. 모르포 나비와 같이 잘 연구된 다세포 시스템에서는 구조적 색상 표시를 통해 서브미크론 특징이 정렬되어 있음을 시각적으로 알 수 있습니다. 자연의 디자인에 대한 자세한 조사를 통해 기계론적인 통찰력이 얻어졌으며 실험실 규모의 생체 모방 소재 개발이 가능해졌습니다. 그러나 산업 규모의 계층적 어셈블리를 제조하는 것은 여전히 ​​어렵습니다. 바이오 제조는 생물학적 시스템의 자율성을 활용하여 더 낮은 비용과 더 적은 탄소 배출로 재료를 생산하는 것을 목표로 합니다. 이전 보고서에 따르면 일부 박테리아, 특히 활공 운동성을 가진 박테리아는 다결정 구조를 가진 생물막으로 자가 조립되어 반짝이는 무지개 빛깔의 색상을 나타냅니다. 현재 연구는 이러한 박테리아 중 하나인 Cellulophaga lytica를 주문된 물질의 대규모 생물 제조를 위한 플랫폼으로 사용할 수 있는 가능성을 보여줍니다. C. lytica 생물막의 광학적, 공간적, 시간적 특성을 제어하기 위한 구체적인 접근법이 보고되었습니다. 보완적인 현미경 기반 연구에 따르면 생물막 색상 변화는 지역 환경에 대한 세포 반응에 의해 유도된 형태의 변화에 ​​기인한다는 것이 밝혀졌습니다. C. lytica 생물막을 재료에 통합함으로써 제조 공정 중에 필요한 취급 및 다운스트림 처리를 용이하게 한다는 사실도 입증되었습니다. 마지막으로, 본 연구를 통해 C. lytica의 자체 인쇄 광자 잉크로서의 유용성이 확립되었습니다. 요약하면, 주변 조건과 다양한 길이 규모에 걸쳐 C. lytica의 자동 표면 조립은 현재 산업 환경에서 주문된 재료의 생산을 방해하는 문제를 회피합니다.

변동이 심하고 가혹한 환경은 생물학적 시스템이 생존을 위한 완화 전략을 발전시키도록 요구합니다. 구조적 계층 구조는 이러한 문제에 대한 일반적인 대응이며 눈에 띄는 재료 특성과 기능성의 기초입니다1,2. 연구자들이 자연의 디자인 원리를 통합한 생체모방 재료를 개발했지만, 산업 규모로 계층적 재료를 제조하는 것은 여전히 ​​어렵습니다3,4,5. 바이오 제조는 살아있는 유기체를 사용하여 복잡한 재료를 생산함으로써 에너지 소비와 탄소 배출을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다6,7,8. 특정 초점 영역은 내장된 세포가 기능성 물질의 3D 프린팅을 가능하게 하는 박테리아 잉크입니다9,10. 연구자들은 나노 구조, 전기장 및 광유전학11,12,13을 사용하여 추가 제어를 위해 박테리아 패턴화에 대한 실험실 성공을 보고합니다.

박테리아 콜로니와 관련된 창발적 특성인 구조적 착색은 반복적인 계층적 서브미크론 구조와 빛의 상호작용에서 유래합니다. 다세포 유기체에서 구조적 색상은 빛 수확, 짝짓기, 방어 및 의사소통을 포함한 필수 기능을 향상시킵니다. 무지개 빛깔 또는 각도 의존적 ​​구조 색상은 종종 진핵생물의 막에 부착된 색소, 홍채포 및 다층 구조의 조합을 포함합니다18,19. Cytophaga, Flavobacterium 및 Cellulophaga 속을 포함한 원핵생물 시스템도 무지개 빛깔을 나타내며 관련된 정확한 메커니즘은 현재 여러 그룹에서 연구 중입니다. 이러한 박테리아에 의한 무지개빛은 각도에 따라 최대 강도가 ​​달라지는 구조적 색상으로 정의됩니다. 이는 반사 파장이 각도에 따라 달라지는 일반적으로 나비 및 연체 동물 껍질과 관련된 무지개 빛깔과는 다릅니다. 실험실 조건에서 Cellulophaga lytica의 균주는 생물막으로 알려진 협동적인 3D 공동체로 자가 조직되어 개별 파장의 무지개 빛깔을 생성합니다22,23. 조정된 글라이딩 운동성은 넓은 영역에 걸쳐 박테리아의 단거리 주문을 용이하게 합니다24,25,26. Kientz 등의 연구에서, 미국 라호야(La Jolla)와 프랑스 올레론 섬(Oleron Island)의 해수 수족관에서 분리된 해양 분리균 DSM 2040 및 CECT 8139를 포함하여 다양한 C. lytica 균주에 의해 반짝이는 무지개 빛깔이 생성되었습니다. 활공 능력과 온도, 염도 등과 같은 환경 요인이 무지개빛에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다20,27,28. C. lytica DSM 7489(일명 CIP 103822 및 Lim 21T; 원래 코스타리카 Limon의 해변 진흙에서 분리됨)는 무지개 빛깔이 훨씬 덜했으며 실험에서 음성 대조군으로 사용되었습니다20,22,23. 생물 제조에 적합한 계층적 재료를 개발하려는 우리의 목표에 따라, 이 연구는 상업적으로 이용 가능한 C. lytica 균주, DSM 7489의 무지개 빛깔의 생물막을 특성화하고 생물막의 광학적 및 공간적 특성을 제어하기 위한 전략을 개발했습니다. 따라서 지속 가능하게 제조된 재료를 개발하기 위한 플랫폼으로서 C. lytica 생물막의 유용성이 입증되었습니다.