Невидимые бактериальные структуры скрывают сигналы до тех пор, пока не будут активированы соответствующим биохимическим веществом
Ученые создали принципиально новую систему скрытых сообщений, в которой информация зашифрована с помощью живых бактерий и становится видимой только при воздействии строго определенных химических веществ. Исследование, в журнале Advanced Functional Materials, представляет собой многоуровневую платформу для безопасного хранения данных и защиты от подделок, использующую естественный метаболизм микроорганизмов в качестве защитного механизма.
Основой технологии стал фотодинамический подход с использованием специально разработанных наночастиц. Эти частицы уничтожают бактерии, на которые попадает свет, оставляя в живых только микроорганизмы в незасвеченных областях. Таким образом формируются высокоточные невидимые узоры из живых бактериальных клеток. Каждая наночастица состоит из четырех ключевых компонентов: светочувствительной молекулы MeO-TSP, убивающей клетки под действием света; смеси лауриновой и стеариновой кислот для усиления этого эффекта; а также двух полимеров, образующих защитную оболочку.
Исследователи нанесли бактерии, покрытые наночастицами, на мембраны из сложного эфира целлюлозы и экспонировали их под светом через фотомаску. В освещенных зонах бактерии погибли из-за генерируемых наночастицами активных форм кислорода, а в затемненных участках остались жизнеспособными. Этот метод позволил создавать живые бактериальные паттерны с рекордным разрешением около 16 микрометров, что превосходит большинство существующих аналогов. Важным преимуществом мембран является возможность переноса биопленок между питательными средами без разрушения узора.
Скрытое сообщение проявляется только при контакте выжившего бактериального узора со специфическим для данного вида субстратом. Уникальные ферменты и биохимические пути разных бактерий вступают в реакцию с определенными хромогенными веществами, визуализируя зашифрованный рисунок. Например, метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA) превращает теллурит в черные колонии, а кишечная палочка (E. coli) с помощью фермента бета-галактозидазы перерабатывает субстрат X-Gal, образуя голубые отложения.
На этой основе ученые создали сложные коды, включая одномерные узоры на базе азбуки Морзе и двумерные QR-коды. Некоторые шифры показывают ложную информацию при использовании одного субстрата, но раскрывают истинное сообщение при применении другого. Были разработаны даже QR-коды-головоломки, требующие сборки нескольких частей и последующей биохимической активации для считывания.
Представленная платформа использует пространственный контроль и особенности метаболизма бактерий для создания первой в мире фотодинамической системы биологического кодирования. В качестве концептуального доказательства использовались штаммы MRSA и E. coli, однако в практических применениях их можно заменить на безопасные лабораторные штаммы. Технология открывает новые возможности для создания принципиально новых средств защиты ценных документов, товаров и данных, которые невозможно скопировать без знания точного биохимического ключа.