科羅拉多大學博爾德分校的威爾·斯魯巴(Wil Srubar)實驗室里的磚不僅活著,而且還在繁殖。它們被細菌攪動,這些細菌將沙子,營養物和其他原料轉化為生物水泥,就像珊瑚合成礁石的方式一樣。分裂一塊磚,在幾個小時內,您將有兩個。

從活著的水泥到提供藥物的生物膜 生物學家重塑

工程生活材料(ELM)旨在模糊邊界。他們使用細胞(主要是微生物)來構建惰性結構材料,例如硬化水泥或類似木材的替代物,用于從建筑材料到家具的所有物品。有些產品,例如Srubar的磚,甚至將活細胞整合到最終混合物中。結果就是材料具有驚人的新功能,正如上周在德國薩爾布呂肯舉行的2020年生命材料大會上所展示的創新表明:可以自我建造的機場跑道和在體內生長的繃帶。“電池是驚人的制造工廠,”東北大學的ELM專家Neel Joshi說。“我們正在嘗試使用它們來構造我們想要的東西。”

人類長期以來從微生物中獲取化學藥品,例如酒精和藥品。但是ELM研究人員正在招募微生物來制造事物。取一塊通常由粘土,沙子,石灰和水制成的磚塊,將它們混合,模制并燒至1000°C以上。這需要大量的能源,每年會產生數億噸的碳排放。位于北卡羅來納州羅利市的一家名為bioMASON的公司是率先探索利用細菌代替熱量的公司之一,該公司依靠微生物將養分轉化為碳酸鈣,從而在室溫下將沙子硬化成堅固的建筑材料。

現在,幾個小組正在進一步推廣這一想法。“您能通過在沙子和明膠中播種細菌來在某處生長一條臨時跑道嗎?”問美國海軍研究實驗室的微生物學家和ELM專家Sarah Glaven。2019年6月,俄亥俄州懷特-帕特森空軍基地的研究人員做到了這一點,以創建232平方米的跑道原型。負責美國國防高級研究計劃局ELM計劃的布雷克·貝特斯汀說,希望是,軍工可以攜帶當地的沙子,礫石和水,而不是運送大量材料來建立遠征機場,并申請幾桶水泥制造細菌會在幾天內創造出新的跑道。

磚塊和跑道水泥不會在最終結構中保留活細胞。但是Srubar的團隊正在采取下一步行動。在他們的自生磚中,研究人員將一種基于營養的凝膠與沙子混合,并用形成碳酸鈣的細菌進行接種。然后,他們控制溫度和濕度以保持細菌的活力。研究人員可以將他們的原始磚切成兩半,添加額外的沙子,水凝膠和養分,然后觀察細菌在6小時內長出了兩塊全尺寸的磚。1月15日的《問題》一書報道,經過三代人的努力,他們用八塊磚頭收尾。(一旦細菌完成了新磚的生長,團隊就可以關閉溫度和濕度控制。)Srubar稱其為“指數材料制造”。

ELM制造商還利用微生物來制造用于人體的生物材料。微生物自然地散發出相互結合以形成物理支架的蛋白質。更多的細菌可以粘附在其上,從而形成從微生物到牙齒到船體表面的稱為生物膜的公共微生物墊。Joshi的研究小組正在開發生物膜,這些生物膜可以保護腸壁,腸壁會在炎癥性腸病患者中侵蝕,從而造成潰瘍。在2019年12月6日的《自然通訊》上,他們報道了一種工程化的大腸桿菌老鼠膽汁中產生的蛋白質形成了保護性基質,從而保護組織免受通常誘發潰瘍的化學物質的侵害。如果這種方法對人有用,那么醫生可以用通常在腸道中寄養的工程微生物形式給患者接種。

在另一種醫學用途中,細菌會將常規材料變成制藥廠。例如,在2019年12月2日的《自然化學生物學》(Nature Chemical Biology)中,麻省理工學院的Christopher Voigt和他的同事描述了用一種連續產生細菌的細菌孢子播種一種塑料。微生物合成了一種對危險的傳染性細菌金黃色葡萄球菌有效的抗菌化合物。

由上海理工大學超中所帶領的一組研究人員為生物膜設計了不同的用途:為環境排毒。他們從枯草芽孢桿菌開始,該細菌分泌一種叫做TasA的基質形成蛋白。其他研究人員表明,TasA易于通過基因工程與其他蛋白質結合。該團隊對TasA進行了調整,使其與一種酶結合,該酶降解一種有毒的工業化合物,稱為單(2-羥乙基對苯二甲酸)或MHET。然后,他們證明了由工程菌產生的生物膜可能會破壞MHET,而由兩種枯草芽孢桿菌工程菌混合而成的生物膜也可能被破壞??梢詫ΨQ為對氧磷的有機磷酸酯農藥進行兩步降解。研究小組在2019年1月的《自然化學生物學》(Nature Chemical Biology)上報告了這項研究結果,提出了凈化空氣的活動墻的前景。

但是,監管問題可能會減慢進度。ELM研究人員利用的許多細菌都是自然產生的,不應觸發監管審查。但是,基因工程生物會以及埋在活壁中的工程微生物的前景可能會使監管機構不安。Voigt仍然預測,“我認為十年后,我們將在整個生命產品中找到活細胞。”

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