바이오미메틱스는 이전에 잎-미생물 상호 작용을 연구하는 도구로 사용되어 왔습니다. 그러나 뿌리에는 그러한 도구가 존재하지 않습니다. 여기서는 루트 환경 상호 작용 연구를 위한 뿌리 표면 미세 구조를 모방한 합성 표면을 형성하는 프로토콜을 개발합니다.
생물 모방은 더 나은 인류를 위해 생물 학적 시스템, 특히 생물학적 구조를 모방하기 위해 화학 및 물질 과학을 사용하는 것입니다. 최근에는 잎 표면의 미세 구조를 모방한 생체 모방 표면이 잎 환경 상호 작용에 잎 미세 구조의 효과를 연구하는 데 사용되었습니다. 그러나 뿌리에는 그러한 도구가 존재하지 않습니다. 우리는 뿌리 표면 미세 구조의 합성 모방을 인공 표면으로 허용하는 도구를 개발했습니다. 우리는 2 단계 프로세스를 사용하여 잎 표면 미세 구조 복제로 알려진 소프트 리소그래피 방법에 의존했습니다. 첫 번째 단계는 생물학적 조직을 수반하기 때문에 더 도전적인 단계입니다. 여기서, 우리는 뿌리 성형을 위해 UV에 의해 경화된 강하고 단단한 폴리우레탄에 의존하는 다른 폴리머 및 경화 전략을 사용했습니다. 이를 통해 뿌리 털과 같은 섬세하고 도전적인 특징을 포함하여 뿌리 표면 미세 구조의 신뢰할 수 있는 부정적인 이미지를 얻을 수 있었습니다. 그런 다음 이러한 부정적인 이미지를 템플릿으로 사용하여 잘 확립된 폴리디메틸 실록산(PDMS)과 세포의 가까운 모방을 나타내는 셀룰로오스 유도체, 에틸 셀룰로오스를 모두 사용하여 뿌리 표면 미세 구조 복제를 달성하고 미생물에 의해 분비된 셀룰라아제 효소에 의해 분해될 수도 있다. 이 새로 형성 된 플랫폼은 이전에 잎에 표시 된 것과 유사한 방식으로 뿌리 미생물 상호 작용에서 표면의 미세 구조 적 효과를 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 이 시스템은 표면 특징에 비해 미생물의 위치를 추적할 수 있으며, 향후 그 활동은 셀룰라아제 분비의 형태로 추적할 수 있습니다.
잎 표면 미세 구조의 복제는 생체 모방 연구 분야1,,2,,3,,4에서공지된 방법입니다. 잎 표면 미세 구조의 초기 복제는 미세 구조, 특히 스토마타,,,5,6,7,8,89,,10의더 나은 시각화를 위해 잎 표면에 적용 된 매니큐어 및 고무 재료를 사용하여 수행되었다. 이어서 상기 방법이 개선되었고, 고급 폴리머는 연석소법을 사용하여 잎 표면 미세구조를 모방하는 데 사용되었으며, 특히 초소수성 표면의 생체모방의맥락에서2,3,,44,11,,12. 최근 몇 년 동안, 본 방법은 천연 잎 필로스피어(15)의 일환으로 병원성1513, 14,14 또는 유익한지 표면에 거주하는 잎 표면과 미생물 간의 상호작용에 대한 연구에서 유용한 도구로 입증되었다. 자연 계통의 단순화는 순수합성 시스템이,,표면(15, 16,17,18)으로사용되더라도 표면-미생물 상호작용연구에서 매우 유용하다는 것이 입증되었다.,16
잎 표면 미세 구조의 복제는 다른 미생물과 잎의 표면에 발생하는 상호 작용을 연구하기위한 유용한 도구로 나타났지만 식물 뿌리에는 그러한 도구가 존재하지 않습니다. 식물 뿌리는 땅 아래에 거주하기 때문에 연구하기가 더 어렵고 모든 상호 작용은 토양 내에서 발생합니다. 잎과 마찬가지로, 뿌리 표면 미세 구조는 뿌리 미생물 상호 작용에 역할을 할 가능성이 높습니다. 그러나, 현재는 복잡한 뿌리-미생물 상호작용에서 뿌리 표면 미세구조의 특정 역할을 분리하는 방법이 존재하지 않는다. 가장 많이 연구된 뿌리 표면 미세 구조 특징은 루트모발(19,,20,,21)이다. 루트 모발은 표면적을 증가시키고 영양분과 물22를보다 효율적으로 섭취할 수 있게 함으로써 중요한 역할을 하지만, 뿌리 미생물 상호 작용의 구조적 특징으로서의 참여는 결코 테스트되지 않았습니다.
잎에서 연약한 리소그래피에 가장 널리 사용되는 폴리머는 폴리디메틸 실록산(PDMS)이다. PDMS 속성은 잎 큐티클15,,23의것과 유사합니다. 그러나, 식물 뿌리에서 가장 풍부한 물질은 PDMS26,27,28의것과,다른 성질을 가진 셀룰로오스24,25이다. ,, PDMS를 사용하여 루트 환경 상호 작용에서 표면 미세 구조 효과를 연구하기 위한 합성 플랫폼을 구축하면 이상적이지 않습니다.
여기에 제시된 프로토콜은 다양한 재료로부터 합성 뿌리 표면 미세 구조 복제본을 형성할 수 있게 한다. 잎 표면 미세 구조 복제를위한 방법과 마찬가지로 이것은 2 단계 프로세스입니다. 첫 번째 단계는 생물학적 조직(root)을 폴리우레탄 몰드(음의 복제본)로 성형하는 원천으로 사용합니다. 뿌리 표면 미세 구조의 음수 이미지를 나타내는 폴리우레탄 몰드는 PDMS 및 셀룰로오스 유도체를 포함한 다양한 재료로부터 뿌리 표면 미세 구조의 양수 복제를 생성하는 베이스로 사용될 수 있다. 이러한 루트 표면 복제는 나중에 루트-미생물 상호 작용에서 표면 구조 역할을 이해하는 플랫폼으로 사용될 수 있다.
우리는 뿌리 표면 미세 구조의 복제를위한 새로운 방법을 제시한다. 이 메서드는 잎 표면 미세 구조 복제4의기존 방법에 의존 합니다. 이 방법을 개발하기 위해, 우리는 잎에 대한 기존의 방법을 조정했다. 잎 복제 방법을 뿌리로 복사하는 데 문제가 있는 단계가 루트 성형의 첫 번째 단계를 포함한다는 것을 깨달았습니다. 이것은 생물학적 조직을 수반하기 때문에 방법의 가장 민감한 부분입니다. 그 결과, 우리는 경화에 비교적 온화한 조건을 요구하여 생물학적 조직에 최소한의 손상을 일으키는 중합체를 선택하고 싶었습니다. UV라이트(29)에서빠르게 중합(10분 이내)할 수 있기 때문에 폴리우레탄을 선택했습니다. 또한, 일단 중합30을 매우 단단하고 우리는이 속성이 폴리 우레탄 금형에서 뿌리를 비교적 쉽게 제거 할 수 있기를 바랍니다.
제시된 방법은 네거티브 이미지(음수 복제본)가 첫 번째 단계에서 형성되고 복제가 네거티브 복제본에 기초하여 두 번째 단계에서 형성되는 2단계 접근법이다. 이것은 우리가 작업 할 수있는 재료의 범위를 확장합니다. 잎 표면 미세 구조 복제는 주로 PDMS 또는 에폭시재료(11, 31)에서,31수행되었다. 일부 작업은 다른 물질, 특히 미생물 성장을 지원하는재료(13,32)로수행되었다., 이는 최근 몇 년 동안 이 방법이 잎 표면 구조의 맥락에서 미생물 표면 상호 작용을 연구하는 데 사용되었기 때문이다. 그러나 잎의 맥락에서 이 방법에셀룰로오스와 같은 재료는 사용되지 않았습니다. 폴리우레탄 네거티브 복제본을 금형및 양성 복제본용 다양한 재료로 사용하는 것이 좋습니다. 즉, 다양한 재질에서 양수 복제본을 만드는 것은 음의 복제본이 만들어지면 비교적 쉽습니다. 현재 셀룰로오스 유도체를 사용하고 있지만, 셀룰로오스 유도체와 함께 펙틴 및리그닌(33) 33,,34와 같은 뿌리 표면에 보다 관련성이 있는 물질을 사용할 가능성을 모색하고 있습니다.
또한 잎은 2D 표면이기 때문에 뿌리 표면이 구부러져 3D 표면이기 때문에 기존의 잎 표면 미세 구조 복제 방법에 따라 확장됩니다. 폴리우레탄 솔루션에 전체 루트를 포함시키면 릴리스가 허용되지 않으므로 전체 표면의 복제를 활성화하지 않습니다. 따라서 루트 표면 미세 구조를 복제할 때 루트의 한쪽을 선택해야 합니다. 생성된 합성 표면은 곡면이 약 절반이지만 전부는 아닙니다. 우리의 가정은 루트 표면의 구조적 특징은 주로 루트 길이를 따라 축에 대칭된다는 것입니다. 그러나 이러한 대칭이 가정되지 않는 연구에서복제할 적절한 측면 루트를 선택하도록 주의해야 합니다.
우리는 뿌리가 금형으로 사용될 수있는 두 가지 옵션을 제시합니다. 첫 번째는 줄기에서 자란 모험적인 뿌리의 옵션이며 두 번째는 종이에 발아 된 뿌리의 옵션입니다. 첫 번째 옵션은 주로 이러한 뿌리와 함께 작동 하기 쉬운 방법을 연습에 연구원을 돕기 위한 것입니다. 두 번째 옵션은 환경 조건에 관계없이 다른 품종의 뿌리 사이에서 찾을 수있는 유전 적 차이를 나타냅니다. 이러한 표면은 중요한 연구 도구로 사용될 수 있지만, 환경이 뿌리 표면 구조, 특히 뿌리가35,,36으로자라는 토양에 강한 영향을 미칠 수 있음을 알아야 한다. 토양에 의해 가해지는 기계적 응력으로 인해, 뿌리가토양(37)에침투함에 따라 표면에 발생하는 상처 이외에 일부 형태학적 변화가 발생할 수밖에 없다. 토양에서 뿌리를 제거하고 구조를 손상시키지 않고 청소하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 따라서, 우리는 안정적으로 토양에서 성장 뿌리의 뿌리 표면 미세 구조를 모방하는이 방법을 사용하는 능력에 관해서는 낙관적이지 않다. 그러나, 미세 구조의 변화가 눈에 띄게 명확한 유전적 차이 또는 환경 적 차이에 초점을 맞춘 연구를 위해,이 방법은 뿌리 표면 미세 구조의 영향을 연구하는 도구로 사용할 수 있습니다.
우리의 방법은 뿌리 표면의 미세 구조 적 특성을 모방하는 불활성 표면을 생성합니다. 이 방법은 다른 모든 효과에서 루트 환경 상호 작용에 구조적 효과 분리 하도록 설계 되었습니다 하는 동안, 우리는 그 상호 작용에 화학 화합물을 무시할 수 없습니다. 일부 미생물은 화합물, 특히 영양소를 첨가하지 않고는 표면에서 생존하거나 기능하지 않을 수 있습니다. 이 플랫폼의 개발의 다음 단계는 구조와 결합 될 때 다른 상호 작용에 미치는 영향을 연구하기 위해 화학 화합물의 제어 추가 될 것입니다.
이 방법은 뿌리-미생물 상호 작용을 연구하기 위한 합성 플랫폼의 개발의 첫 번째 단계로 개발되었다. 여기서 우리는 뿌리 표면의 미세 구조를 모방하고 이 초기 플랫폼은 미생물 거동에 표면 미생물 구조의 영향을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 이 플랫폼은 자연 시스템의 다른 많은 요소가 없기 때문에 제한됩니다. 이 플랫폼은 표면을 생성하기 위해 올바른 재료를 사용하고 시스템에 다른 중요한 화학 물질을 추가하여 더욱 개발되어야합니다. 보다 진보된 플랫폼에서는 화학물질의 공간 분포를 상상할 수도 있습니다. 그러나, 현재 뿌리 미생물 상호 작용에 있는 구조적 효력을 격리하기 위하여 그밖 방법이 없기 때문에, 우리는 연구원이 그 상호 작용에 있는 구조 특정 질문을 하기 위하여 이 초기 플랫폼을 이용할 수 있기를 바랍니다.
The authors have nothing to disclose.
연구는 MK에 농업 연구 조직에서 종자 기금에 의해 지원되었다.
2-hydroxy-2-methylpropiophenone | Sigma | 405655 | |
Diethyl phthalate | Across | 114520010 | |
Diurethane dimetharylate | Sigma | 436909 | |
Ethyl cellulose | Across | 232705000 | |
Ethyl methacrylate | Sigma | 234893 | |
Shaphir Solution | GAT fertilizer | 6-2-4 | |
Sylgard 184 kit | Polymer-G | 510018400500 |