Inspireret af kombucha te, ingeniører skaber levende materialer

Ingeniører på MIT og Imperial College London har udviklet en ny måde at generere hårde, funktionelle materialer ved hjælp af en blanding af bakterier og gær, der ligner "kombucha -moren", der bruges til at fermentere te.

Ved hjælp af denne blanding, også kaldet en SCOBY (symbiotisk kultur af bakterier og gær), forskerne var i stand til at producere cellulose indlejret i enzymer, der kan udføre en række funktioner, såsom registrering af miljøforurenende stoffer. De viste også, at de kunne inkorporere gær direkte i materialet, skabe "levende materialer", der kan bruges til at rense vand eller til at lave "smarte" emballagematerialer, der kan opdage skader.

"Vi forudser en fremtid, hvor forskellige materialer kan dyrkes hjemme eller i lokale produktionsfaciliteter, ved hjælp af biologi frem for ressourceintensiv centraliseret fremstilling, "siger Timothy Lu, en MIT -lektor i elektroteknik og datalogi og i biologisk teknik.

Lu og Tom Ellis, professor i bioingeniør ved Imperial College London, er seniorforfatterne til papiret, som vises i dag i Naturmaterialer . Papirets hovedforfattere er MIT-kandidatstuderende Tzu-Chieh Tang og Cambridge University postdoc Charlie Gilbert.

Arbejdsdeling

For flere år siden, Lu's laboratorium udviklede en måde at bruge E. coli til at generere biofilm indlejret i materialer som guld nanotråde. Imidlertid, disse film er meget små og tynde, hvilket gør dem vanskelige at bruge i de fleste store applikationer. I den nye undersøgelse, forskerne satte sig for at finde en måde at bruge mikrober til at generere større mængder af mere betydelige materialer.

De tænkte på at skabe en mikrobepopulation, der ligner en kombuchamor, som er en blanding af visse typer bakterier og gær. Disse gæringsfabrikker, som normalt indeholder en bakterieart og en eller flere gærarter, producere ethanol, cellulose, og eddikesyre, som giver kombucha te sin karakteristiske smag.

De fleste vilde gærstammer, der bruges til gæring, er svære at genetisk modificere, så forskerne erstattede dem med en stamme af laboratoriegær kaldet Saccharomyces cerevisiae. De kombinerede gæren med en type bakterier kaldet Komagataeibacter rhaeticus, som deres samarbejdspartnere på Imperial College London tidligere havde isoleret fra en kombucha -mor. Denne art kan producere store mængder cellulose.

Fordi forskerne brugte en laboratoriestamme gær, de kunne konstruere cellerne til at gøre alt, hvad labgær kan gøre - f.eks. producerer enzymer, der lyser i mørket, eller detektering af forurenende stoffer i miljøet. Gæren kan også programmeres, så de kan nedbryde forurenende stoffer efter at have opdaget dem.

I mellemtiden, bakterierne i kulturen producerer store mængder hård cellulose til at fungere som et stillads. Forskerne designede deres system, så de kan kontrollere, om gæren selv, eller bare de enzymer, de producerer, er inkorporeret i cellulosestrukturen. Det tager kun et par dage at dyrke materialet, og hvis den forlades længe nok, det kan tykne for at optage et rum så stort som et badekar.

"Vi synes, det er et godt system, der er meget billigt og meget let at lave i meget store mængder, "Siger Tang." Det er mindst tusind gange mere materiale end E.coli -systemet. "

Tilsæt bare te

For at demonstrere potentialet i deres mikrobekultur, som de kalder "Syn-SCOBY, "forskerne skabte et materiale, der indeholder gær, der registrerer østradiol, som undertiden findes som et miljøforurenende stof. I en anden version, de brugte en gærstamme, der producerer et glødende protein kaldet luciferase, når det udsættes for blåt lys. Disse gær kan byttes ud for andre stammer, der påviser andre forurenende stoffer, metaller, eller patogener.

Kulturen kan dyrkes i normalt gærkulturmedium, som forskerne brugte til de fleste af deres undersøgelser, men de har også vist, at det kan vokse i te med sukker. Forskerne forestiller sig, at kulturerne kunne tilpasses til, at folk kan bruge derhjemme til dyrkning af vandfiltre eller andre nyttige materialer.

"Stort set alle kan gøre dette i deres køkken eller derhjemme, "Tang siger." Du behøver ikke at være ekspert. Du mangler bare sukker, du har brug for te til at give næringsstofferne, og du har brug for et stykke Syn-SCOBY mor. "