Биологи переделывают материальный мир — от «живого» цемента до биопленок для доставки лекарств.

биоплёнка

Специально сконструированные микробы создали эту биопленку (зеленую), изображенную на стеклянной бусинке. НИЛ ДЖОШИ

Роберт Ф. Сервис

Кирпичи в лаборатории Уила Срубара в Университете Колорадо, Боулдер, не просто живые, они размножаются. Они вырабатываются бактериями, которые преобразуют  питательные вещества и другое сырье в форму биоэлемента, подобно тому, как кораллы синтезируют рифы. Расколите один кирпич, и через несколько часов у вас будет два.

Инженерные живые материалы (ELF) предназначены для размывания границ. Они используют клетки, главным образом микробы, для того чтобы построить инертные структурные материалы такие как затвердевший цемент или древесина как замену для всего — от строительных материалов до мебели. Некоторые, как кирпичи Срубара, даже включают живые клетки в окончательную смесь. Результат — материалы с поразительными новыми возможностями, как показали инновации, представленные на прошлой неделе на конференции Living Materials 2020 в Саарбрюкене, Германия: взлетно-посадочные полосы аэропортов, которые строятся сами, и живые повязки, которые растут внутри тела. «Клетки-это удивительные заводы по производству, — говорит Нил Джоши, эксперт по ELF из Северо-Восточного университета. “Мы пытаемся использовать их, чтобы создавать то, что нам нужно.”

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 несколько групп развивают эту идею. «Не могли бы вы вырастить временную взлетно-посадочную полосу, посеяв бактерии в песок и желатин?» спрашивает Сару Глэйвен, микробиолога и эксперта по ELM в Военно-морской лаборатории США. В июне 2019 года исследователи на базе ВВС Райта-Паттерсона в Огайо 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 взлетно-посадочной полосы не сохраняют живые клетки в конечной структуре. Но команда Срубара делает следующий шаг. В своих самовоспроизводящихся кирпичах исследователи смешивают гель на основе питательных веществ с песком и прививают его бактериями, образующими карбонат кальция. Затем они контролируют температуру и влажность, чтобы сохранить жизнеспособность бактерий. Исследователи могли разделить свой первоначальный кирпич пополам, добавить дополнительный песок, гидрогель и питательные вещества и наблюдать, как бактерии вырастают в два полноразмерных кирпича за 6 часов. Через три поколения у них получилось восемь кирпичей, сообщили они в номере журнала Matter за 15 января. (Как только бактерии закончат выращивать новые кирпичи, команда может отключить контроль температуры и влажности. Срубар называет это «экспоненциальным материальным производством».

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 могут защитить слизистую оболочку кишечника  людей с воспалительными заболеваниями кишечника, предотвращая болезненные язвы. В выпуске Nature Communications от 6 декабря 2019 года они сообщили, что искусственная кишечная палочка Escherichia coli продуцирует белки, образующие защитную матрицу, которая защищает ткань от химических веществ, обычно вызывающих язвы. Если подход сработает на людях, врачи смогут прививать пациентов с помощью микробной формы, которая обычно попадает в кишечник.

В другом медицинском применении бактерии могут превращать обычные материалы в фабрики лекарств. Например, в выпуске журнала Nature Chemical Biology от 2 декабря 2019 года Кристофер Фойт из Массачусетского технологического института и его коллеги описывают засев пластика бактериальными спорами, которые непрерывно генерируют бактерии. Микробы синтезируют антибактериальное соединение, эффективное против золотистого стафилококка, 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. subtilis, могут осуществлять двухступенчатую 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.

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».

Следующее

Выносливая микробная ДНК может быть капсулой времени на века

Пн Фев 24 , 2020
Информация была закодирована в ДНК штамма солеустойчивой Halobacterium salinarum. ДЖО ДЭВИС Стив Надис Джо Дэвис ищет идеальную капсулу времени. Он хочет сохранить историю человечества, которая могла бы выжить в течение многих веков, чтобы быть прочитанной наследниками Homo Sapiens на Земле или разумными инопланетянами. Он считает, что нашел подходящую среду: ДНК […]
солеустойчивая Halobacterium salinarum