由细菌建造的建筑-一项将细胞转变成微型材料工厂的新研究

时间:2020-03-29 21:08 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

由细菌建造的建筑-一项将细胞转变成微型材料工厂的新研究

建筑物与人体并无不同。他们有骨头和皮肤;他们呼吸。通电后,它们消耗能量,调节温度,产生废物。建筑是有机体——尽管是无生命的。

但是,如果建筑物——墙壁、屋顶、地板、窗户——实际上是活的——是由活的材料生长、维护和修复的呢?想象一下,建筑师使用基因工具,将建筑物的结构直接编码到生物体的DNA中,然后生物体生长出能够自我修复、与居住者互动并适应环境的建筑物。

随着跨学科的研究团队把活细胞变成微型工厂,活建筑正在从科幻小说的领域进入实验室。在科罗拉多大学博尔德分校,我负责生命材料实验室。我们与生物化学、微生物学、材料科学和结构工程的合作者一起,使用合成生物学工具包来设计细菌,以制造有用的矿物质和聚合物,并将它们形成有生命的积木,总有一天,这些积木会让建筑有生命。

在发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的一项研究中,我和同事通过基因编程,让大肠杆菌制造出不同形状、大小、硬度和韧性的石灰石颗粒。在另一项研究中,我们发现大肠杆菌可以通过遗传程序产生苯乙烯——一种用来制造聚苯乙烯泡沫塑料的化学物质,通常被称为聚苯乙烯泡沫塑料。

由细菌建造的建筑-一项将细胞转变成微型材料工厂的新研究

绿色细胞用于绿色建筑

在我们最近发表在《物质》(Matter)杂志上的研究中,我们利用光合作用的蓝藻细菌来帮助我们生长一种结构性的建筑材料——我们让它存活了下来。与藻类类似,蓝藻是一种绿色微生物,在环境中随处可见,但最出名的是生长在鱼缸的墙壁上。蓝藻菌不排放二氧化碳,而是利用二氧化碳和阳光生长,在合适的条件下,创造一个生物群落,我们用它来帮助我们把沙粒结合在一起,形成一块活砖。

通过保持蓝藻菌的存活,我们能够指数级地制造建筑材料。我们取一块活砖,把它劈成两半,又从两半长出两块满砖来。这样,那两块厚砖就变成四块,四块又变成八块。我们不是一次制造一块砖,而是利用细菌的指数增长来一次生产很多块砖——展示了一种全新的制造材料的方法。

研究人员仅仅触及了生物工程材料潜力的表面。其他的生物体可以将其他的生命功能赋予物质积木。例如,不同的细菌可以产生自我修复的材料,感知和响应外界刺激,如压力和温度,甚至发光。如果大自然能做到这一点,那么生物材料也能做到。

与标准建筑相比,建造活的建筑需要更少的能源。制造和运输今天的建筑材料需要消耗大量的能源,排放大量的二氧化碳。例如,石灰石被用来做混凝土的水泥。金属和沙子被开采和熔化来制造钢铁和玻璃。建筑材料的制造、运输和组装占全球二氧化碳排放量的11%。仅水泥产量就占8%。相反,一些生物材料,比如我们的蓝藻砖,实际上可以隔绝二氧化碳。

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一个新兴的领域

来自世界各地的研究团队正在展示工程生物材料在许多尺度上的力量和潜力,包括导电生物膜、聚合反应的单细胞活催化剂和活光电。研究人员已经制造出能够感知和传达接触有毒化学物质信息的活口罩。研究人员还试图从一个基因编程的单细胞中培育和组装大块材料。

虽然单个细胞的尺寸通常小于一微米(千分之一毫米),但生物技术和3d打印技术的进步使在人体尺度上生产生物材料成为可能。例如,Ecovative公司使用真菌菌丝来培育泡沫状的材料。Biomason利用微生物生产生物陶瓷块和瓷砖。尽管这些产品在生产过程的最后阶段会失去生命,但代尔夫特理工大学的研究人员已经设计出一种方法,可以将活的细菌封装并打印成多层结构,当它们遇到某些化学物质时可以发光。

工程生物材料领域尚处于起步阶段,需要进一步的研究和开发,以弥合实验室研究和商业可用性之间的差距。挑战包括成本、测试、认证和扩大生产。消费者的接受度是另一个问题。例如,建筑业对生物有负面的看法。想想霉菌、霉菌、蜘蛛、蚂蚁和白蚁。我们希望改变这种看法。研究生物材料的研究人员还需要解决安全和生物污染方面的问题。

美国国家科学基金会(National Science Foundation)最近将工程生物材料列为美国的主要研究重点之一。合成生物学和工程生物材料将在应对人类在本世纪20年代及以后面临的挑战方面发挥关键作用:气候变化、抗灾能力、老化和超负荷的基础设施以及太空探索。

如果人类有一个空白的景观,人们将如何建造东西?根据科学家们现在掌握的知识,我敢肯定我们不会用石灰石来制造水泥,不会用矿石来制造钢铁,也不会用融化的沙子来制造玻璃。相反,我相信我们会求助于生物学来帮助我们建立和模糊我们的人造环境和生活的自然世界之间的界限。

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