Биологи переделывают материальный мир от «живого» цемента до биопленок, доставляющих лекарства.
[penci_related_posts title=»Вам также может быть интересно» number=»4″ style=»list» align=»none» displayby=»cat» orderby=»random»]
Кирпичи в лаборатории Вила Срубара в Университете Колорадо, не просто живы, они воспроизводят. Их вырабатывают бактерии, которые превращают песок, питательные вещества и другое сырье в форму биоцемента, во многом подобно тому, как кораллы синтезируют рифы. Разбейте один кирпич, и через несколько часов у вас будет два.
Инженерные живые материалы (ELM) предназначены для размытия границ. Они используют клетки, в основном микробы, для создания инертных конструкционных материалов, таких как закаленный цемент или древесина, от строительных материалов до мебели. Некоторые, такие как кирпичи Срубара, даже включают живые клетки в окончательный микс.
Результатом являются материалы с поразительными новыми возможностями, представленные на прошлой неделе на конференции Living Materials 2020 в Саарбрюкене, Германия: взлетно-посадочные полосы аэропорта, которые строятся сами и живые повязки, которые растут в теле. «Клетки — это удивительные фабрики по изготовлению», — говорит Нил Джоши, эксперт по ELM в Северо-Восточном университете. «Мы пытаемся использовать их для создания вещей, которые нам необходимы».
Человечество давно собирало химические вещества из микроорганизмов, такие как алкоголь и лекарства. Но исследователи ELM привлекают микробов для создания вещей. Возьмите кирпичи, обычно сделанные из глины, песка, извести и воды, которые смешаны, отлиты и обожжены до температуры выше 1000 °C. Это требует много энергии и ежегодно генерирует сотни миллионов тонн выбросов углерода.
Компания Raleigh, штат Северная Каролина, под названием bioMASON была одной из первых, кто исследовал использование бактерий вместо тепла, полагаясь на микробы для преобразования питательных веществ в карбонат кальция, который при комнатной температуре превращает песок в прочный строительный материал.
Теперь уже несколько групп развивают эту идею. «Не могли бы вы вырастить временную взлетно-посадочную полосу, посеяв бактерии в песок и желатин?» спрашивает Сара Глэйвен, микробиолог и эксперт по ELM в Военно-морской лаборатории США. В июне 2019 года исследователи на базе ВВС Райта-Паттерсона в Огайо уже сделали это, чтобы создать прототип взлетно-посадочной полосы площадью 232 квадратных метра.
По словам Блейка Бекстина, который руководит программой ELM для Агентства перспективных исследовательских проектов в области обороны США, надежда состоит в том, что вместо того, чтобы перевозить тонны материалов для создания экспедиционных аэродромов, военные инженеры могут использовать местный песок, гравий и воду и применять несколько барабанов цементных бактерий для создания новых взлетно-посадочных полос за несколько дней.
Кирпичи и цемент ВПП не сохраняют живые клетки в окончательной структуре. Но команда Срубара делает следующий шаг. В своих самовоспроизводящихся кирпичах исследователи смешивают питательный гель с песком и инокулируют его бактериями, которые образуют карбонат кальция. Затем они контролируют температуру и влажность, чтобы сохранить жизнеспособность бактерий.
Исследователи могли бы разделить свой оригинальный кирпич пополам, добавить дополнительный песок, гидрогель и питательные вещества и наблюдать, как бактерии вырастили два полноразмерных кирпича за 6 часов. По прошествии трех поколений они обернулись восемью кирпичами, сообщается в выпуске «Материя» от 15 января . (Как только бактерии выращивают новые кирпичи, команда может отключить контроль температуры и влажности.) Срубар называет это «экспоненциальным производством материалов».
Производители ELM также используют микробы для производства биоматериалов для использования в организме человека. Микробы естественным образом выделяют белки, которые связываются друг с другом, образуя физический каркас. К нему может присоединиться больше бактерий, образуя общие микробные маты, известные как биопленки, найденные на поверхностях от зубов до корпусов судов.
Команда Джоши разрабатывает биопленки, которые могли бы защитить слизистую оболочку кишечника, которая разрушает людей с воспалительными заболеваниями кишечника, создавая болезненные язвы. В выпуске Nature Communications от 6 декабря 2019 года сообщалось, что спроектированная кишечная палочкав кишках мышей образуются белки, которые образуют защитную матрицу, которая экранирует ткани от химических веществ, которые обычно вызывают язвы. Если подход работает на людях, врачи могут прививать пациентов с помощью микробной формы, которая обычно попадает в кишечник.
В другом медицинском использовании бактерии могут превратить обычные материалы в фармацевтические фабрики. Например, в выпуске Nature Chemical Biology от 2 декабря 2019 года Кристофер Фойгт из Массачусетского технологического института и его коллеги описывают засеивание пластика бактериальными спорами, которые непрерывно генерируют бактерии. Микробы синтезируют антибактериальное соединение, эффективное против Staphylococcus aureus , опасной инфекционной бактерии.
Команда исследователей во главе с Чао Чжоном из Шанхайского университета разработала биопленки для другой цели: детоксикации окружающей среды. Они начали с бактерии Bacillus subtilis , которая секретирует матриксообразующий белок под названием TasA. Другие исследователи показали, что TasA легко генетически сконструировать для связывания с другими белками. Команда доработала TasA, чтобы связать фермент, который разлагает токсичное промышленное соединение, называемое моно (2-гидроксиэтилтерефталевая кислота), или MHET.
Затем они показали, что биопленки, созданные с помощью инженерной бактерии, могут разрушать МГЭТ, и что биопленки, полученные из смеси двух сконструированных штаммов B. subtilisможет осуществить двухэтапную деградацию фосфорорганического пестицида, называемого параоксоном. Результаты, о которых группа сообщила в январском выпуске журнала Nature Chemical Biology за 2019 год , открывают перспективы для живых стен, которые очищают воздух.
Однако проблемы регулирования могут замедлить прогресс. Многие из бактерий, которые использовали исследователи ELM, встречаются в природе и не должны вызывать регулятивную проверку. Но генно-инженерные организмы будут и перспектива искусственных микробов, встроенных, скажем, в живые стены, может нарушить работу регуляторов. Тем не менее, Фойгт предсказывает: «Я думаю, что через 10 лет мы найдем живые клетки во всем спектре живых продуктов».