Byggnader är inte olik en människokropp. De har ben och hud; de andas. Elektrifierad, de förbrukar energi, reglera temperaturen och generera avfall. Byggnader är organismer – om än livlösa sådana.

Men tänk om byggnader - väggar, tak, golv, fönster – var faktiskt levande – växte, underhållas och läkas av levande material? Föreställ dig att arkitekter använder genetiska verktyg som kodar en byggnads arkitektur rakt in i organismernas DNA, som sedan växer upp byggnader som självreparerar, interagera med sina invånare och anpassa sig till miljön.

Levande arkitektur flyttar från science fiction till laboratoriet när tvärvetenskapliga team av forskare förvandlar levande celler till mikroskopiska fabriker. Vid University of Colorado Boulder, Jag leder Laboratoriet för levande material. Tillsammans med samarbetspartners inom biokemi, mikrobiologi, materialvetenskap och konstruktionsteknik, vi använder verktygssatser för syntetisk biologi för att konstruera bakterier för att skapa användbara mineraler och polymerer och forma dem till levande byggstenar som kan, en dag, väcka byggnader till liv.

I en studie publicerad i Vetenskapliga rapporter , mina kollegor och jag genetiskt programmerade E coli att skapa kalkstenspartiklar med olika former, storlekar, styvhet och seghet. I en annan studie, det visade vi E coli kan genetiskt programmeras för att producera styren – kemikalien som används för att göra polystyrenskum, allmänt känd som frigolit.

Gröna celler för grönt bygge

I vårt senaste arbete, publiceras i Materia , vi använde fotosyntetiska cyanobakterier för att hjälpa oss att odla ett strukturellt byggmaterial – och vi höll det vid liv. I likhet med alger, cyanobakterier är gröna mikroorganismer som finns i hela miljön men mest kända för att växa på väggarna i ditt akvarium. Istället för att släppa ut CO ₂ , cyanobakterier använder CO ₂ och solljus att växa och, under rätt förhållanden, skapa ett biocement, som vi använde för att hjälpa oss att binda ihop sandpartiklar till en levande tegelsten.

Genom att hålla cyanobakterierna vid liv, vi kunde tillverka byggmaterial exponentiellt. Vi tog en levande tegelsten, delade den på mitten och växte två fulla tegelstenar från halvorna. De två fulla tegelstenarna växte till fyra, och fyra växte till åtta. Istället för att skapa en tegelsten i taget, vi utnyttjade den exponentiella tillväxten av bakterier för att odla många tegelstenar på en gång – och demonstrerade en helt ny metod för att tillverka material.

Forskare har bara skrapat på ytan av potentialen hos konstruerade levande material. Andra organismer skulle kunna ge andra levande funktioner till materiella byggstenar. Till exempel, olika bakterier kan producera material som läker sig själva, känna av och reagera på yttre stimuli som tryck och temperatur, eller till och med lysa upp. Om naturen kan göra det, levande material kan konstrueras för att göra det, för.

Det tar också mindre energi att producera levande byggnader än standardbyggnader. Att tillverka och transportera dagens byggmaterial använder mycket energi och släpper ut mycket CO ₂ . Till exempel, kalksten bränns för att göra cement för betong. Metaller och sand bryts och smälts till stål och glas. Tillverkningen, transport och montering av byggmaterial står för 11 % av den globala CO ₂ utsläpp. Enbart cementproduktion står för 8 %. I kontrast, lite levande material, som våra cyanobakteriestenar, kunde faktiskt binda CO ₂ .

Ett växande fält

Team av forskare från hela världen visar kraften och potentialen hos konstruerade levande material i många skalor, inklusive elektriskt ledande biofilmer, encelliga levande katalysatorer för polymerisationsreaktioner och levande solceller. Forskare har gjort levande masker som känner av och kommunicerar exponering för giftiga kemikalier. Forskare försöker också odla och sätta ihop bulkmaterial från en genetiskt programmerad enskild cell.

Medan enstaka celler ofta är mindre än en mikron i storlek - en tusendels millimeter - möjliggör framstegen inom bioteknik och 3D-utskrift kommersiell produktion av levande material i mänsklig skala. Ekologisk, till exempel, odlar skumliknande material med hjälp av svampmycel. Biomason producerar biocementerade block och keramiska plattor med hjälp av mikroorganismer. Även om dessa produkter görs livlösa i slutet av tillverkningsprocessen, forskare från Delft University of Technology har utarbetat ett sätt att kapsla in och 3-D-printa levande bakterier i flerskiktsstrukturer som kan avge ljus när de möter vissa kemikalier.

Området för konstruerade levande material är i sin linda, och ytterligare forskning och utveckling behövs för att överbrygga klyftan mellan laboratorieforskning och kommersiell tillgänglighet. Utmaningar inkluderar kostnader, testning, certifiering och uppskalning av produktionen. Konsumentacceptans är en annan fråga. Till exempel, byggbranschen har en negativ uppfattning om levande organismer. Tänk mögel, mögel, spindlar, myror och termiter. Vi hoppas kunna förändra den uppfattningen. Forskare som arbetar med levande material måste också ta itu med farhågor om säkerhet och biokontaminering.

National Science Foundation utnämnde nyligen konstruerade levande material till en av landets viktigaste forskningsprioriteringar. Syntetisk biologi och konstruerade levande material kommer att spela en avgörande roll för att tackla de utmaningar som människor kommer att möta under 2020-talet och därefter:klimatförändringar, katastrofresiliens, åldrande och överbelastad infrastruktur, och rymdutforskning.

Om mänskligheten hade ett tomt landskap, hur skulle folk bygga saker? Att veta vad forskare vet nu, Jag är säker på att vi inte skulle bränna kalksten för att göra cement, bryta malm för att tillverka stål eller smälta sand för att göra glas. Istället, Jag tror att vi skulle vända oss till biologi för att hjälpa oss bygga och sudda ut gränserna mellan vår byggda miljö och det levande, Naturlig värld.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.