Живущие в помещении люди и микробы приспосабливаются друг к другу

Внутри и на теле каждого человека обитают бесчисленные микроорганизмы — микробиота, которая помогает формировать и направлять жизнь своих носителей. Аналогичное явление происходит между людьми, микробами и их общими домами.



В выпуске журнала Science Advances от 24 июня 2022 года ученые из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего и других источников сообщают о молекулярном воздействии жизни в помещении, описывая, как присутствие людей взаимодействует с их микробными соседями по комнате, изменяя биологию дома и химия.
Выводы, предполагают авторы, должны повлиять на будущие проекты зданий.



Современные американцы проводят около 70 процентов своего времени в помещении, изменяя микробиом в помещении с помощью своего тела. Ограниченное исследование изучало взаимодействие между людьми и воздействием в помещении определенных загрязнителей, токсинов и частиц, но новое исследование более амбициозно документирует, как люди влияют на весь молекулярный и химический состав дома посредством рутинных действий.



Летом 2018 года в Остине, штат Техас, был построен экспериментальный тестовый дом. Дом был спроектирован для обычного использования и включал в себя ванные комнаты, кухню, зоны для собраний и рабочие зоны. Ночевка была запрещена, но 45 участников исследования, а также посетители проводили время в доме, занимая его примерно по шесть часов в день в течение 26 дней, в течение которых они выполняли предусмотренные сценарием действия, такие как приготовление пищи, уборка и общение.
Исследователи измерили распределение обнаруживаемых молекул и микробов по занятым участкам дома в начале эксперимента, получившего название Т1, и снова через 28 дней, получившего название Т2, в основном путем взятия мазков с поверхностей и проведения различных геномных, метаболических и химических анализов.



Перед Т1 дом был тщательно очищен раствором хлорной извести. Тем не менее, исследователи заявили, что следы молекул, связанных с людьми, все еще присутствуют. В Т2, после почти месяца пребывания людей, дом был полон молекулярного и микробного изобилия и разнообразия, хотя и неравномерно распределенного.
Исследователи обнаружили молекулы, связанные с продуктами по уходу за кожей, клетками кожи, лекарствами (такими как антидепрессанты и анаболические стероиды), молекулами пищевых продуктов (такими как терпены и флавоноиды), метаболитами человека или животных (молекулами, образующимися в процессе метаболизма, такими как желчь). и жирные кислоты), аминокислоты, сахара и микробные метаболиты.
Большинство молекул поверхности внутри помещений были натуральными продуктами (молекулами, произведенными биологически, а не синтетическими соединениями), продуктами питания, молекулами, связанными с окружающей средой, средствами личной гигиены и метаболитами человеческого происхождения, часто прослеживаемыми в фекалиях.



Вероятными первичными источниками считались продукты питания, микробы, связанные с человеком, фекалии, строительные материалы и микробы, которые растут на них и строительных материалах во влажных условиях.
Неудивительно, что кухня и туалет были очагами молекулярного и микробного разнообразия, хотя их количество колебалось в зависимости от очистки поверхностей и санитарии. «Похоже, что даже когда подмножество химических веществ удаляется из-за очистки, это только временное и / или частичное, поскольку сумма очистки и деятельности человека в целом приводит к увеличению накопления более богатой химии», — авторы. написал.



Поверхности, к которым обычно прикасаются люди, такие как столы, выключатели и ручки, были более распространены в молекулярной и микробной химии. Полы показали меньшее молекулярное разнообразие, возможно, потому, что их мыли чаще. Окна, стулья и двери, к которым люди обычно не прикасаются, показали наименьшее изменение химического разнообразия между T1 и T2.

Другие жители

Конечно, люди были не единственными обитателями тестового дома. Исследователи обнаружили, что внутренние поверхности покрыты бактериями, грибками и другими микробами, а также их метаболитами. Регулярная очистка со временем изменила эти микробные популяции и разнообразие, позволив различным видам повторно заселить очищенные пространства.



В конце периода испытаний осталось менее половины первоначального микробиома дома, но на его долю приходилось более 96 процентов всей подсчитанной микробной жизни. Большая часть обнаруженного микробиома на Т2 была получена от людей, в основном комменсальных видов, которые обитают на коже человека или в кишечнике. Свободноживущие микробы, связанные с окружающей средой, были истощены в результате деятельности человека. Другими словами, почистили или вытолкнули.
«Мы точно не знаем, как микробы, связанные с человеком, вытеснили микробы из окружающей среды, потому что это может произойти разными способами, но ясно, что они это делают», — сказал Роб Найт, доктор философии, один из главных исследователей исследования и директор исследовательского центра. Центр инноваций микробиома Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Понимание этого явления станет ключевой целью будущих исследований в области микробиологии искусственной среды».
Авторы отметили, что по крайней мере 1 процент обнаруженных в помещении молекул может оказать огромное влияние на здоровье. Например, бактериальный вид Paenibacillus был связан с молекулами кофе, одного из основных обнаруженных источников пищевых молекул в помещении. Дома, особенно в Т2, Paenibacillus наблюдали в районе, где готовили кофе, и было обнаружено, что этот род растет в кофемашинах. Виды Paenibacillus использовались в качестве пробиотиков для кур и пчел, а также могут способствовать здоровью человека, что согласуется с недавними сообщениями о том, что употребление кофе связано с улучшением сердечно-сосудистой системы и долголетием.



«Понимание того, как наши наблюдения о том, что как люди, так и микробы, обитающие в доме, изменяют химический состав дома, должны влиять на дизайн строительных материалов для улучшения здоровья человека, потребует дополнительных исследований», — сказал соавтор исследования Питер Доррестейн, доктор философии, директор Collaborative. Инновационный центр масс-спектрометрии в Школе фармации и фармацевтических наук Скаггса Калифорнийского университета в Сан-Диего.
В соавторстве: Александр А. Аксенов и Алексей В. Мельник, Калифорнийский университет в Сан-Диего и Университет Коннектикута; Родольфо А. Салидо, Катрина Бреннан, Аскер Брейнрод, Андрес Маурисио Карабальо-Родригес, Джулия М. Гауглиц и Франк Лейзерович, Дельфина К. Фармер, Университет штата Колорадо; и Марина Э. Вэнс, Колорадский университет в Боулдере.

Калифорнийскиq университет в Сан-Диего

Амиджай Сарагови | Функциональная белково-полупроводниковая нанотехнология в микробных фабриках

Источник

Добро пожаловать в группу молекулярной нанотехнологии Форсайта. Сегодня с нами Ами Хай-Серк. Он работает в лаборатории Бейкера, и его исследования находятся на пересечении дизайна белков и полупроводниковой нанотехнологии. Эту презентацию ждали долго, поэтому мы очень рады видеть вас здесь. Большое спасибо, Эвиан, и здравствуйте всем. Небольшое введение: сейчас я прохожу постдокторантуру в лаборатории Бейкера и скоро перехожу в новый университет в Швеции. Я уже нахожусь в Швеции, в Университете КВХУ. Именно поэтому за окном светло.

Так что Зелобо тоже из Швеции, а не только из лаборатории Бейкера. Сегодня я расскажу вам немного о моей исследовательской работе в лаборатории Бейкера, а также, возможно, о моем видении будущего. Пожалуй, стоит отметить, что некоторые из моих текущих планов на будущее являются частью концепции, описанной на сайте, который посвящен биодизайну и финансируется сообществом, начинающим использовать электронные отходы в качестве источника для производства полупроводников. Прежде чем перейти к сути, я хотел бы немного поговорить об электронных отходах. Электронные отходы – это возникающая проблема, но также и возможность. С одной стороны, мы ежегодно производим огромное количество электронных отходов. Согласно ежегодному докладу ООН, это около 7,8 килограмма на человека.

Большая часть этих отходов не перерабатывается должным образом. Перерабатывается меньше четверти, что означает, что ежегодно 62 миллиарда килограммов попадает в нашу среду. Мы создаем ту же проблему, что и с пластиком, но теперь с очень токсичными материалами, при этом теряя много ценных металлов. Ваш мобильный телефон, вероятно, содержит большинство элементов периодической таблицы. Все эти ресурсы, о которых сейчас много говорят, потому что все пытаются производить графические процессоры и чипы, существуют, но мы их не используем. На другом графике можно увидеть, что почти половина отходов по массе составляют металлы, которые мы можем использовать. И, как показывает этот рисунок, ситуация не улучшается. Что мы можем с этим сделать? Здесь мы начинаем говорить о белках, как и о многом другом, чему мы можем научиться у природы.

Природа умеет организовывать неорганический материал. Например, в наших костях есть неорганический материал, кристаллический неорганический материал, который организован белками. На первом примере сверху вы видите массив белков в губках (стеклянные губки). Это семейство губок, которые фактически покрыты стеклом. Они очень красивы. У них есть высокоорганизованный массив белков, катализирующих образование кремнезема. Это своего рода серия реакций, ведущих к образованию высокоорганизованного кремнезема. Если посмотреть на это, то разрешение и организация похожи на то, что требуется для создания полупроводника. Внизу слева, на примере номер два, мы видим магнетосомы (Fe3O4) у магнитотактических бактерий, которые организованы в цепочки.

Каждый из них имеет размер около 40-80 нанометров, что соответствует размеру перехода от суперпарамагнетизма к магнетизму. Они также организованы рядом белков, которые контролируют окислительно-восстановительные процессы и организуют кристаллы нужного размера. Если получить сами белки, можно получить полупроводник, но он не будет организован во что-то полезное. Пример номер три – это кристаллы гуанина. Это органические кристаллы, используемые многими организмами. Если коротко, именно поэтому золотые рыбки имеют золотой цвет – у них есть кристаллы гуанина, организованные для отражения света, создавая такие цвета. У некоторых организмов даже глаза состоят из гуанина. Это еще один пример, более похожий на 2D или 3D организацию архитектуры на наномасштабе.

Итак, природа делает это, и это удивительно, но можем ли мы скопировать то, что делает природа, и как? Я немного расскажу о дизайне белков для тех, кто с этим не знаком. Это послужит введением к моей работе. Если вы хотите узнать больше о дизайне белков в целом, кажется, была лекция Форсайта об этом, а также очень хорошая лекция лауреата Нобелевской премии Дэвида Бейкера. Итак, белки в живых системах вокруг нас — это нано-машины, производящие что-то, реплицирующие ДНК и делающие много других вещей. Это нативные белки. За последние два десятилетия Дэвид и другие пытались решить две фундаментальные задачи дизайна белков. Это то, что мы пытаемся делать в лаборатории. Одна из задач — это предсказание структуры. Когда у вас есть последовательность белка, вы пытаетесь предсказать, какой будет его 3D структура. Для этого нужен инструмент.

Нобелевская премия за это была присуждена команде DeepMind за разработку AlphaFold. Стоит отметить, что RoseTTAFold разрабатывался параллельно, но премию за предсказание структуры получили они. Это удивительный инструмент, потому что он позволяет проверить, сворачивается ли разработанный вами белок именно так, как вы задумали. Вторая задача — как проектировать. Здесь обратная задача: у вас есть структура, и вы хотите предсказать последовательность, которая свернется именно в эту структуру. За эту работу Дэвид получил Нобелевскую премию за множество достижений за многие годы. Это основа всего, что мы делаем в лаборатории: предсказание и проектирование. Типичный рабочий процесс, пример которого вы увидите позже в моей работе, выглядит так.

Сначала мы используем диффузионные модели, которые работают почти так же, как диффузионные модели для генерации изображений. Диффузионные модели умеют брать случайным образом организованный шум и генерировать из него белок — нечто, что является реальным белком. Если задать модели ограничения, вы получите белки нужной формы. Затем, имея структуру, вы можете использовать другую модель, ProteinMPNN, для генерации последовательности, которая свернется в эту структуру. Вы подтверждаете это с помощью AlphaFold или RoseTTAFold, убеждаясь, что сгенерированная последовательность действительно формирует нужную структуру. Это наша работа. Мы работаем на компьютере, получаем дизайны, затем синтезируем ДНК (сегодня ДНК можно «распечатать»), вставляем ее в бактерии, выращиваем эти бактерии, а на следующий день, выпив кофе, получаем наши белки.

Размер белков таков, что 50 000 из них поместятся в ширину человеческого волоса. Интересно работать с такими объектами, особенно когда нужно иметь дело как с мягкими материалами (белки), так и с полупроводниками. Каково видение моей работы и направление, в котором я буду двигаться в будущем, основываясь на проведенных исследованиях? Есть идея, что мы можем спроектировать белки в бактериях, которые будут использовать ионы из электронных отходов для формирования наноструктур, обладающих функциональностью, которые можно организовывать и использовать для создания чего-либо. Таким образом, можно создать циклический процесс, который будет чрезвычайно масштабируемым, поскольку бактерии могут производить материал с безумной скоростью, и при этом полезным для окружающей среды.

Теперь немного о моей работе. С чего мы начали, как мы подходили к проблеме? В природе есть минералы и белки, участвующие в их организации. Но нет белков, которые организуют оксид цинка, или гематит, или, говоря более обобщенно, полупроводники. Поэтому мы начали с базовых принципов и множества предположений. Сверху, под номером один, вы видите ситуацию, которая часто происходит в растворе: у вас есть ионы в пересыщенном состоянии. Это означает, что концентрация ионов должна привести к образованию твердой фазы. Однако для перехода в твердое состояние сначала нужно стать крошечной наночастицей. В итоге получается ситуация, когда поверхность наночастицы настолько велика по сравнению с ее объемом, что наночастица нестабильна.

Она застревает в цикле, когда ионы образуют крошечные зародыши, а затем они растворяются обратно в раствор. Это может длиться годами, прежде чем появится твердая фаза, что, очевидно, зависит от концентрации и насыщенности раствора. Если вы сможете специфически связаться с гранью этой крошечной наночастицы и привязаться к ней, то вы стабилизируете ее, снизив энергию, необходимую для формирования, и она будет продолжать расти, формируя частицу, форма которой связана с гранью, к которой вы привязались. Основываясь на этих базовых принципах, мы выдвинули три предположения о том, как воздействовать на наш полупроводниковый материал. Первое предположение было таким: если поверхность положительно заряжена, мы можем использовать отрицательно заряженный белок.




И если мы разместим его с определенной периодичностью, они просто подойдут друг к другу. Второе предположение немного сложнее. Идея заключается в том, чтобы использовать различные координирующие группы, чтобы частично или полностью скоординировать ионы с периодичностью целевого кристалла, что позволит белку прилипать к нему. Наконец, мы подумали, что, поскольку известно, что кристаллы также организуют воду почти так же, как организован лед, возможно, все, что нам нужно сделать, это организовать молекулы воды, чтобы они привязались к поверхности. Это были три наших предположения. Как работать с предположениями и найти ту идею, которая действительно сработает? Нужно проверить много вариантов и методом перебора найти рабочий. Для этого мы сначала создали множество скаффолдов – разных базовых форм белков.

Все они были плоскими или почти плоскими и повторяющимися. Некоторые позиции в последовательности оставались фиксированными, не изменялись. Эти позиции заставляли белок принимать базовую структуру. Но у нас были гибкие позиции, отмеченные на рисунке желтым, которые использовались для реализации наших идей. Имея много скаффолдов, мы начали диверсифицировать химический состав, основываясь на наших предположениях: вводить координирующие аминокислоты, аминокислоты, организующие воду, хаотропные аминокислоты и так далее. Мы также могли организовать их. Один и тот же набор аминокислот можно организовать периодически, соответствуя решетке кристалла, или просто перемешать. Мы не знали, поможет ли периодичность, как предполагалось, или хаотическая организация позволит найти что-то интересное.

Всего у нас было около 7000 базовых дизайнов, но мы варьировали и другие параметры, так что разработали около 35 000 белков. Мы экспрессировали их на поверхности дрожжей. Идея заключалась в использовании проточной цитометрии. Этот метод направляет лазерный луч на отдельные дрожжевые клетки, и можно измерять рассеяние света. Мы смешивали дрожжи, например, с наночастицами оксида цинка, немного калибровали прибор, а затем пропускали их через проточный цитометр. Поскольку оксид цинка имеет очень отличающийся показатель преломления по сравнению с водой, мы должны были увидеть разницу в рассеянии, если белок связывался с наночастицами. Мы проделали это и повторили три раза, каждый раз отбирая клетки с более высоким рассеянием. В итоге мы получили несколько примеров.

Два дизайна, казалось, очень хорошо связывались. Оба содержали координирующие аминокислоты – гистидин и тирозин. Мы также нашли варианты, которые очень сильно связывались с оксидом цинка, например, показанные справа, с большим количеством гистидинов. Справа вы видите другой белок, но у него были только аргинины. Это было интересно, и возможно, связано с организацией воды, так как мы знаем, что аргинин организует воду через клатратный механизм. Итак, мы нашли белки, которые, казалось, связывались с нужными наночастицами. Вопрос теперь в том, будут ли они действительно служить затравкой и сокращать время реакции, способствуя формированию полупроводника в растворе. Я объясню методы, которые мы использовали. Слева — разработанный нами метод, справа — просто метод Рамана для анализа материала.

Начнем с гематита. Здесь мы использовали небольшой трюк. Гематит должен быть красным, но много других вещей тоже могут быть красными. У нас была проблема быстро определить, например, в формате антисмысловых библиотек, какие белки что-то делали. Поэтому мы изменили реакцию так, чтобы по умолчанию получался магнетит. Затем у нас была планшетка, под каждой лункой которой находился магнит. Так мы очень быстро видели, образовался ли магнетит или что-то другое. Можно измерить это несколькими методами, но один из них — измерение уровня красноты. Вы видите, что когда не было ничего (буфер) или был лизоцим, краснота очень быстро исчезала. Также вокруг магнита появлялись черно-коричневые отложения. Но когда мы добавили два отобранных нами белка, 8.7 и 8.

9, мы увидели эффект. Особенно сильный эффект у 8.7. Я был поражен, увидев результаты этих экспериментов, проверяя выход с помощью магнита. Внизу вы видите «отпечаток» (спектр) стандартного гематита и спектр магнетита. И я был поражен, увидев, что лизоцим притягивается к магниту, а белки 8.7 и 8.9, отобранные для гематита, показывают спектр, очень похожий на гематит. Я был счастлив и взволнован этим результатом. С оксидом цинка у нас была более простая задача, потому что он имеет полосу люминесценции при 400 нанометрах и дает флуоресцентный сигнал. Приятно то, что создаешь пересыщенные условия, добавляешь белок, и если он оказывает эффект, можно измерить флуоресценцию при нужной длине волны фотолюминесценции. Здесь черным показаны результаты с наночастицами, которые являются идеальными затравками, а затем показан эффект белков.

Внизу вы видите, что лизоцим и просто буфер ничего не дают. Мы подтвердили это с помощью рентгеновской дифракции (XRD), чтобы убедиться, что мы получаем правильный «отпечаток» для этого материала. Еще один интересный результат: мы обнаружили, что если взять белок 8.7 и добавить его к железу, то происходит ингибирование образования ржавчины. Вы видите, что если смешать железо с лизоцимом (в буфере, который содержит много соли, реакция идет), то очень быстро появляется много ржавчины. То же самое с просто буфером. Но когда у нас был наш белок, он каким-то образом ингибировал этот процесс. Мы не совсем уверены в механизме, но, возможно, это связано с тем, что белок связывается с поверхностью и образует маленькие кристаллики гематита или что-то подобное. Мы нашли наших первых кандидатов.

Можем ли мы начать их перепроектировать, чтобы сделать что-то более полезное? Мы выяснили, что то, что мы назвали Z0 (один из шаблонов для оксида цинка), формировало волокна, похожие на амилоиды. И мы обнаружили, что это мешает нашей реакции. Внизу слева показано, что мы взяли мотив Z0 и перепроектировали его, чтобы он был более стабильным и вел себя лучше. Как видно на графике, здесь показано время, необходимое для появления сигнала фотолюминесценции. Это был исходный дизайн, и видно, насколько его можно улучшить. После улучшения процесс стал быстрее, чем с наночастицами, что было удивительно. Преимущество дизайна белков в том, что имея мотив, можно начать встраивать его в различные формы. Здесь показаны разные формы, которые мы могли использовать для размещения мотива. Вы видите, что в случае 6.

3 мотив направлен внутрь, в ограниченную область. То же самое с 6.0. Можно также создать внешнюю октаэдрическую клетку и довольно много других форм. Давайте сосредоточимся на клетке. Вам придется поверить мне на слово, что все эти структуры генерируют флуоресцентный или фотолюминесцентный сигнал, даже дипольные агрегаты. Но здесь мы охарактеризовали их с помощью криоэлектронной микроскопии. Вы видите микрофотографию с черными образованиями, растущими на наших клетках. Мы получили разные результаты. Были пустые клетки, вероятно, потому что условия реакции не были идеальными. Мы видим, что что-то образовалось внутри. Мы видим также образования, выходящие из клетки. Это происходит, вероятно, потому, что поверхность связывания находится на оси симметрии С3, и рост не ограничен в третьем измерении.

Мы также показали случай, когда две клетки соединились через выступающий наружу мотив. Когда мы реконструировали структуру, мы обнаружили, что материал образуется именно там, где мы планировали, — в середине вдоль оси С3. Это видно на изображении массы. Если рассмотреть подробнее, видно упорядоченность. Один из будущих шагов — перейти от работы в одном измерении к более сложному. Мы работаем над тем, чтобы лучше ограничить материалы внутри белков, которые будут целенаправленно связываться с различными гранями ожидаемого кристалла очень определенным образом. Мы также можем начать двигаться к структурам, похожим на волокна или нанопроволоки, которые используются во многих приложениях. Далее, мы уже работаем над структурами, которые будут организованы в двух измерениях.

Можно представить себе что-то интересное, где есть двумерная организация стенок. И можно контролировать состав. Например, одна стенка может быть из оксида цинка, другая — из гематита, третья — из кремнезема. Таким образом, можно начать контролировать организацию материала на очень мелком наноуровне. И, наконец, в более отдаленном будущем, можно организовать структуры в трех измерениях, что уже может выглядеть как то, что требуется для продвинутого транзистора или чипа. Можно работать с разными материалами. Можно использовать одну и ту же форму белкового скаффолда, но направлять образование различных полупроводниковых или магнитных материалов, и так далее. Таким образом, можно диверсифицировать материалы, сохраняя форму. Можно пойти дальше и начать создавать переходы между двумя разными материалами.

Например, один шаблон создает оксид цинка, а другой — гематит, и так далее, создавая интересные электронные или структурные компоненты. Наконец, можно создавать очень сложные материалы, а также контролировать легирование. Впереди много работы. Мечта состоит в том, чтобы создавать очень специфические структуры, которые могли бы служить в качестве электроники. Я думаю, это наша цель — создавать электронику, которую, мы надеемся, можно производить в бактериях. Таким образом, мы потенциально можем перенести весь процесс, включая минерализацию, в бактерии, а затем иметь штамм, который производит это для нас в больших масштабах. Другое направление — интегрировать эти системы в живые организмы.




Можно создавать что-то вроде «кабельных бактерий», где внутри клетки есть антенна, или функциональные гибридные материалы внутри живой клетки. Это другое направление, отличное от просто создания электроники. Я не думаю, что это актуально для многих присутствующих, но мы устраиваем хакатон в эти выходные. Если кто-то из ваших друзей в Швеции, они могут зарегистрироваться. Но, думаю, здесь не так много людей из Европы или Швеции. Это знак для вопросов.

Насколько концентрированными могут быть минералы в воде для извлечения?

Как вы подготавливаете полупроводники из электронных отходов, например, растворяя их кислотой, и какой может быть их концентрация?

Да, мы действительно обращались в несколько компаний по переработке электронных отходов и обсуждали, как можно использовать этот материал.

Если в отходах есть свинец, его можно извлечь с помощью некоторой кислотности. Существует много бактерий, которые живут в таких условиях. Да, они ацидофилы, они выдерживают такую кислотность. Очень хорошо. Отлично.

Насколько эффективно использовать информацию о структуре белка для формирования конечных структур?

Можно ли использовать более длинные, линейные структуры белков (в отличие от шарообразных) для кодирования информации о гетерогенных материалах?

Существуют ли фундаментальные препятствия для этого в дизайне белков или это задача на будущее?

Очень хороший вопрос. Во-первых, над этим мы сейчас работаем, над фибрами и другими формами. Я бы сказал, что белки выполняют разные функции.

Одна из них — функция затравки. Затравка снижает энергию, необходимую для образования кристалла. Это мотив, который мы нашли. Вторая задача белка — ограничить формирование кристалла. Например, если у вас просто есть волокно с белковыми мотивами (так получилось с Z0, исходным дизайном), вы создаете то, что я называю «комком» — неконтролируемое формирование материала. Это именно то, чего мы пытаемся избежать, и вам не нужен белок, чтобы создать неконтролируемое формирование материала. Так что, я думаю, хитрость заключается в очень тщательном размещении. Нужно получить действительно хороший мотив, затем снизить пересыщение и создавать очень определенные структуры. Я надеюсь, я ответил на ваш вопрос. Возможно.

Работает ли этот метод только в условиях пересыщения до образования частиц?

Является ли это экзотермической реакцией, и останутся ли частицы стабильными, если убрать белок?




Во-первых, возможно, было не совсем ясно, но мы работаем в режиме, где мы не меняем термодинамические условия раствора. Очевидно. Мы не делаем материал термодинамически стабильным. Мы работаем в режиме, где материал сам по себе не образуется, он просто застрял за кинетическим барьером. Снижение энергии происходит не за счет катализа, а за счет изменения отношения поверхности к объему. Поверхность не является «счастливым» местом для наночастицы. Вода создает большие энергетические затраты на поверхности. Если вы связываетесь с поверхностью, вы уменьшаете организацию воды и снижаете стоимость поверхности.

Если у вас достаточно поверхности, с которой вы связались, вы снижаете энергию. Я был понятен? Да, думаю, это понятно. Тогда я полагаю, вы можете получать частицы, которые будут стабильны. Когда вы извлекаете их из пересыщенного раствора. Если вы делаете диоксид титана из чистого титана, он окислится, и затем... Вы проводили подобные реакции, где можно получить частицы, которые потом сохраняются? Да, это работает. Вы можете их сохранять. Наночастицы после образования стабильны. И, определенно, после того, как они преодолевают критический размер (критический размер зародыша), они остаются стабильными даже без белка. Вы можете, по сути, сжечь белок потом.

Вы пробовали удалять белки?

Да, мы сушим их, и наночастицы остаются стабильными. Физика здесь довольно ясна.

После достижения определенного размера, который можно рассчитать, они остаются стабильными, даже если их оставить без белка. Спасибо. Это очень круто.

Как мы можем вам помочь?

Как я уже сказал, я переехал в Швецию. В лаборатории Бейкера будет продолжена работа над минералами и белками, ориентированная больше на рост цемента, скажем так, неэлектронных материалов. Во-первых, если кто-то заинтересован, лучший способ помочь — открыть больше каналов для обсуждения, потому что чем больше я разговариваю с людьми, тем больше понимаю, как это можно применить и расширить. Многие области применения не так просто определить. Очевидно, если бы я мог создать графический процессор, многие были бы счастливы. Но уровень сложности для создания чего-то подобного сейчас, по крайней мере, немного безумный.

Возможно, когда-нибудь в будущем. Так что понимание того, какие применения возможны с такими материалами, было бы здорово. Я бы с удовольствием обсудил любые идеи.

Применительно к переработке или сложности задачи проектирования: какова сложность проектирования для использования этой техники, в отличие от сложности изготовления?

Это хороший вопрос. Я думаю, одна из задач — это дизайн архитектуры. Частично мы уже умеем это делать, используя методы лаборатории Бейкера, но мы пока не можем полностью повторить то, что делает природа. Если подумать о сложности бактериофага, о том, сколько разных белков объединяется вместе, это то, чего мы пока не знаем. Наверное, над этим будут работать многие люди годами. Так что есть работа на уровне архитектуры.

И все те вещи, о которых я рассказывал, например, объединение двух камер, это почти сделано. Мы уже делаем это. Я думаю, более серьезной проблемой будет само templating (создание затравки). Думаю, если нужно указать слабое место в моей работе, то это то, что мы нашли белки, которые снижали энергию, необходимую для образования кристалла, но, думаю, мы находимся в локальном минимуме. Я не думаю, что мы нашли что-то, что будет удивительно хорошим шаблоном. Для примера: в статье по оксиду цинка мы использовали 3 миллимолярную концентрацию. Но оксид цинка может образовываться и при 3 микромолярной. Так что потенциально мы можем найти белки, которые могут выступать затравкой при 3 микромолярной концентрации. Если мы найдем такой белок, то сможем по-настоящему контролировать реакцию, потому что уровень специфичности станет невероятным.

И тогда можно будет создавать структуры даже внутри живых клеток, потому что концентрация цинка будет достаточно высокой. Так что, я считаю, самая большая и сложная часть — это сосредоточиться на шаблонах. Потому что над этим работают много времени в лаборатории Бейкера, а теперь и во многих других местах. Думаю, вызов будет в templating разных материалов, в умении работать при более высоких температурах, где качество кристалла выше, и так далее. Надеюсь, я ответил на ваш вопрос. Да, спасибо. Помогает понять, насколько сложна задача проектирования и насколько сложна задача изготовления, и воспринимать их как отдельные вещи. Большое спасибо, Ами. Спасибо всем, что пришли. Увидимся в следующем месяце. Всем пока.