Bygninger dyrket af bakterier:Ny forskning for at omdanne celler til minifabrikker til materialer

Bygninger er ikke ulig en menneskekrop. De har knogler og hud; de trækker vejret. Elektrificeret, de bruger energi, regulere temperatur og generere affald. Bygninger er organismer - om end livløse.

Men hvad nu hvis bygninger - vægge, tage, gulve, vinduer - var faktisk levende - vokset, vedligeholdes og helbredes af levende materialer? Forestil dig, at arkitekter bruger genetiske værktøjer, der koder en bygnings arkitektur lige ind i organismers DNA, som derefter vokser bygninger, der reparerer sig selv, interagere med deres indbyggere og tilpasse sig miljøet.

Levende arkitektur bevæger sig fra science fiction-området til laboratoriet, efterhånden som tværfaglige teams af forskere forvandler levende celler til mikroskopiske fabrikker. På University of Colorado Boulder, Jeg leder Living Materials Laboratory. Sammen med samarbejdspartnere inden for biokemi, mikrobiologi, materialevidenskab og konstruktionsteknik, vi bruger syntetisk biologi værktøjssæt til at konstruere bakterier til at skabe nyttige mineraler og polymerer og danne dem til levende byggesten, der kunne en dag, bringe bygninger til live.

I en undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter , mine kolleger og jeg genetisk programmerede E coli at skabe kalkstenspartikler med forskellige former, størrelser, stivhed og sejhed. I en anden undersøgelse, det viste vi E coli kan genetisk programmeres til at producere styren - det kemikalie, der bruges til at fremstille polystyrenskum, almindeligvis kendt som Styrofoam.

Grønne celler til grønt byggeri

I vores seneste arbejde, udgivet i Stof , vi brugte fotosyntetiske cyanobakterier til at hjælpe os med at dyrke et strukturelt byggemateriale – og vi holdt det i live. I lighed med alger, cyanobakterier er grønne mikroorganismer, der findes i hele miljøet, men bedst kendt for at vokse på væggene i dit akvarium. I stedet for at udlede CO ₂ , cyanobakterier bruger CO ₂ og sollys til at vokse og, under de rette forhold, skabe en biocement, som vi brugte til at hjælpe os med at binde sandpartikler sammen til en levende mursten.

Ved at holde cyanobakterierne i live, vi var i stand til at fremstille byggematerialer eksponentielt. Vi tog en levende mursten, delte den i to og voksede to hele klodser fra halvdelene. De to fulde mursten voksede til fire, og fire voksede til otte. I stedet for at skabe en klods ad gangen, vi udnyttede den eksponentielle vækst af bakterier til at dyrke mange mursten på én gang – og demonstrerede en helt ny metode til fremstilling af materialer.

Forskere har kun ridset overfladen af ​​potentialet i konstruerede levende materialer. Andre organismer kunne bibringe andre levende funktioner til materielle byggesten. For eksempel, forskellige bakterier kan producere materialer, der helbreder sig selv, føle og reagere på ydre stimuli som tryk og temperatur, eller endda lyse op. Hvis naturen kan gøre det, levende materialer kan konstrueres til at gøre det, også.

Det kræver også mindre energi at producere levende bygninger end standardbygninger. Fremstilling og transport af nutidens byggematerialer bruger meget energi og udleder meget CO ₂ . For eksempel, kalksten brændes for at lave cement til beton. Metaller og sand udvindes og smeltes til stål og glas. Fremstillingen, transport og montage af byggematerialer står for 11 % af den globale CO ₂ emissioner. Alene cementproduktionen udgør 8%. I modsætning, nogle levende materialer, som vores cyanobakterie mursten, kunne faktisk binde CO ₂ .

Et felt i vækst

Hold af forskere fra hele verden demonstrerer kraften og potentialet i konstruerede levende materialer i mange skalaer, inklusive elektrisk ledende biofilm, enkeltcellede levende katalysatorer til polymerisationsreaktioner og levende solceller. Forskere har lavet levende masker, der registrerer og kommunikerer eksponering for giftige kemikalier. Forskere forsøger også at dyrke og samle bulkmaterialer fra en genetisk programmeret enkeltcelle.

Mens enkeltceller ofte er mindre end en mikron i størrelse - en tusindedel af en millimeter - muliggør fremskridt inden for bioteknologi og 3-D print kommerciel produktion af levende materialer i menneskelig skala. Økotiv, for eksempel, dyrker skumlignende materialer ved hjælp af svampemycelium. Biomason producerer biocementerede blokke og keramiske fliser ved hjælp af mikroorganismer. Selvom disse produkter er gjort livløse ved slutningen af ​​fremstillingsprocessen, forskere fra Delft University of Technology har udtænkt en måde at indkapsle og 3-D-printe levende bakterier i flerlagsstrukturer, der kan udsende lys, når de møder visse kemikalier.

Området for konstruerede levende materialer er i sin vorden, og yderligere forskning og udvikling er nødvendig for at bygge bro mellem laboratorieforskning og kommerciel tilgængelighed. Udfordringer omfatter omkostninger, test, certificering og opskalering af produktionen. Forbrugeraccept er et andet problem. For eksempel, byggebranchen har en negativ opfattelse af levende organismer. Tænk skimmelsvamp, meldug, edderkopper, myrer og termitter. Vi håber at ændre den opfattelse. Forskere, der arbejder med levende materialer, skal også tage fat på bekymringer om sikkerhed og biokontaminering.

National Science Foundation udnævnte for nylig konstruerede levende materialer til en af ​​landets vigtigste forskningsprioriteter. Syntetisk biologi og konstruerede levende materialer vil spille en afgørende rolle i håndteringen af ​​de udfordringer, mennesker vil stå over for i 2020'erne og derefter:klimaændringer, katastrofemodstandsdygtighed, aldring og overbebyrdet infrastruktur, og udforskning af rummet.

Hvis menneskeheden havde et tomt landskab, hvordan ville folk bygge ting? Ved at vide, hvad forskerne ved nu, Jeg er sikker på, at vi ikke ville brænde kalksten for at lave cement, udvinde malm for at lave stål eller smelte sand for at lave glas. I stedet, Jeg tror, ​​vi ville vende os til biologi for at hjælpe os med at opbygge og udviske grænserne mellem vores byggede miljø og det levende, Naturlig verden.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.