Покорми меня, если хочешь узнать правду. Биологи создали невидимые QR-коды из живых клеток

Бактерии обычно не воспринимаются как надёжные носители информации — они делятся, перемещаются, погибают и непредсказуемо реагируют на окружающую среду. Казалось бы, это полная противоположность тому, что нужно для стабильного хранения данных. Однако исследователи нашли способ превратить эти «недостатки» в преимущество: живые коды, которые меняются со временем или проявляются только под действием определённых биохимических сигналов, обеспечивают уровень защиты, недоступный обычным материалам.

Идея использовать бактерии для криптографии обсуждается давно, но практические применения до сих пор были редкостью. Большинство ранних попыток требовали генетически модифицированных бактерий с видимыми сигналами, что ограничивало технологию специально созданными штаммами.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Functional Materials, учёные преодолели эти ограничения, создав многоуровневую платформу кодирования. Они разработали фотодинамический подход с использованием специальных наночастиц, которые убивают бактерии при воздействии света, оставляя неосвещённые бактерии живыми. Это позволяет формировать высокоточные паттерны, реагирующие на биохимические сигналы, сообщает Nanowerk.

Бактериальные узоры остаются скрытыми до тех пор, пока правильный химический триггер не проявит их. Система использует фотодинамическую наночастицу из четырёх компонентов: MeO-TSP — светоактивируемой молекулы, убивающей клетки; смеси лауриновой и стеариновой кислот для усиления эффекта; и двух полимеров — поливинилового спирта и поли(аллиламина гидрохлорида), формирующих защитную оболочку вокруг частицы.

Матрица из жирных кислот группирует светоактивируемые молекулы, усиливая выработку активных форм кислорода под белым светом. Моделирование показало, что такая группировка скручивает молекулы, обеспечивая эффективные квантовые переходы, необходимые для генерации этих соединений. Положительно заряженная полимерная оболочка притягивает отрицательно заряженные бактерии, сближая наночастицы с мембранами настолько, что активные формы кислорода эффективно их повреждают.

Для создания точных бактериальных паттернов исследователи наносили покрытые наночастицами бактерии на мембраны из смешанных эфиров целлюлозы и облучали их светом через фотомаску. Бактерии в освещённых зонах погибали от активных форм кислорода, а в затенённых — выживали. В результате получались живые узоры, соответствующие дизайну маски, с разрешением 15,99 микрометра — это превосходит большинство предыдущих методов. В отличие от традиционного агара, такие мембраны позволяют переносить биоплёнки между питательными средами без разрушения паттерна.

Сила системы — в различиях метаболизма бактерий. Каждый вид обладает уникальными ферментами и биохимическими путями, реагирующими на определённые хромогенные субстраты и проявляющими скрытые узоры. Например, MRSA превращает теллурит в чёрные колонии, а кишечная палочка перерабатывает X-Gal с помощью β-галактозидазы, образуя голубые отложения. Живые бактерии окрашиваются в синий цвет красителем Hoechst 33342, а мёртвые флуоресцируют красным с пропидия йодидом.

Эти реакции позволили создавать сложные коды — одномерные паттерны азбуки Морзе и двумерные QR-коды. Некоторые коды показывают ложную информацию при одном субстрате, но раскрывают истинное сообщение при другом. Команда даже разработала QR-коды в виде пазлов, требующие сборки и биохимической активации для расшифровки.

Таким образом, учёные впервые применили фотодинамическое бактериальное кодирование, использующее пространственный контроль и метаболизм для создания живой системы безопасного хранения информации и защиты от подделок. В качестве демонстрации использовались MRSA и кишечная палочка, но их можно заменить безопасными лабораторными штаммами.