Генно-инженерные бактерии создают живые материалы для самовосстанавливающихся стен и очистки от загрязнений

С помощью инкубатора и питательного бульона можно выращивать многоразовые фильтры из бактерий для очистки загрязненной воды, обнаружения химикатов в окружающей среде и защиты поверхностей от ржавчины и плесени.

От живых клеток к пригодным материалам

ДНК бактерий можно модифицировать, чтобы заставить клетку производить новые белки, в том числе не существующие в природе. Исследователи могут контролировать расположение этих белков в клетке.

Поскольку инженерные живые материалы состоят из живых клеток, их можно генетически запрограммировать на выполнение множества функций. Например, бактерии можно превратить в сенсоры загрязнителей, заставив их менять цвет в присутствии определенных молекул.

Основной задачей было научиться заставлять материалы производить матрикс — вещество вокруг клетки, которое позволяет контролировать физические свойства конечного материала (вязкость, эластичность, жесткость).

Для этого мы создали систему, кодирующую эту матрицу в ДНК бактерии Caulobacter crescentus. Мы модифицировали ДНК так, чтобы бактериальные клетки производили на своей поверхности матрицу из большого количества эластичных белков. Эти белки способны связываться друг с другом и образовывать гидрогели — материал, удерживающий большое количество воды.

Когда две генетически модифицированные бактериальные клетки сближаются, эти белки соединяются и удерживают клетки вместе. Окружая каждую клетку этим липким эластичным материалом, бактериальные клетки объединяются в живую слизь.

Кроме того, мы можем модифицировать эластичные белки, чтобы изменять свойства конечного материала. Например, можно превратить бактерии в твердые строительные материалы, способные к самовосстановлению при повреждении, или в мягкие материалы для использования в качестве наполнителей.

Преимущества живых материалов

Обычно создание многофункциональных материалов крайне сложно и дорого. В отличие от этого, живые материалы растут из клеток, требующих минимального количества питательных веществ и энергии, подобно дереву из семени. Их биоразлагаемость и минимальные требования к производству обеспечивают устойчивое и экономичное производство.

Технология создания живых материалов незамысловата и дешева. Для выращивания многофункционального высокоэффективного материала из бактерий нужны лишь встряхивающий инкубатор, белки и сахара. Инкубатор — это металлический или пластиковый бокс, поддерживающий температуру около 98,6 °F (37 °C) (ниже, чем в обычной духовке) и встряхивающий клетки со скоростью медленнее, чем у блендера.

Превращение бактерий в живые материалы — быстрый процесс. Нашей команде удалось вырастить бактериальные живые материалы примерно за 24 часа. Это намного быстрее производственного процесса других материалов, включая такие живые материалы, как древесина, на выращивание которой могут уйти годы.

Наша живая бактериальная слизь легко транспортируется и хранится. Она может выживать в банке при комнатной температуре до трех недель, а затем быть помещена в свежую питательную среду для повторного роста. Это может снизить стоимость будущих технологий на основе этих материалов.

Наконец, инженерные живые материалы — это экологически чистая технология. Поскольку они состоят из живых клеток, они биосовместимы (нетоксичны) и биоразлагаемы (естественно разлагаются).

Следующие шаги

Некоторые аспекты нашего бактериального живого материала требуют уточнения. Например, мы не знаем точно, как белки на поверхности бактериальной клетки взаимодействуют друг с другом или насколько прочно они связываются. Мы также не знаем, сколько именно молекул белка требуется, чтобы удерживать клетки вместе.

Ответы на эти вопросы позволят нам дальше настраивать живые материалы с желаемыми качествами для различных функций.

Далее я планирую изучить выращивание разных типов бактерий в качестве живых материалов, чтобы расширить сферу их применения. Разные типы бактерий лучше подходят для разных целей. Например, одни лучше выживают в определенных средах (человеческий организм, почва, пресная вода), а другие могут адаптироваться к различным внешним условиям (температура, кислотность, соленость).

Имея множество типов бактерий на выбор, исследователи смогут еще больше кастомизировать создаваемые материалы.