Ingenjörer på MIT och Imperial College London har utvecklat ett nytt sätt att generera tuffa, funktionella material med en blandning av bakterier och jäst som liknar "kombucha -mamman" som används för att jäsa te.

Med denna blandning, även kallad SCOBY (symbiotisk odling av bakterier och jäst), forskarna kunde producera cellulosa inbäddad med enzymer som kan utföra en mängd olika funktioner, som att känna av miljöföroreningar. De visade också att de kunde införliva jäst direkt i materialet, skapa "levande material" som kan användas för att rena vatten eller för att göra "smarta" förpackningsmaterial som kan upptäcka skador.

"Vi förutser en framtid där olika material kan odlas hemma eller i lokala produktionsanläggningar, använder biologi snarare än resurskrävande centraliserad tillverkning, "säger Timothy Lu, en MIT -docent i elektroteknik och datavetenskap och i biologisk teknik.

Lu och Tom Ellis, professor i bioingenjör vid Imperial College London, är tidningens författare, som visas idag i Naturmaterial . Tidningens huvudförfattare är MIT-doktoranden Tzu-Chieh Tang och Cambridge University postdoc Charlie Gilbert.

Arbetsfördelning

Många år sedan, Lu's lab utvecklade ett sätt att använda E. coli för att generera biofilmer inbäddade i material som guldnanotrådar. Dock, dessa filmer är mycket små och tunna, vilket gör dem svåra att använda i de flesta storskaliga applikationer. I den nya studien, forskarna bestämde sig för att hitta ett sätt att använda mikrober för att generera större mängder av mer omfattande material.

De tänkte skapa en mikrobepopulation som liknar en kombuchamamma, som är en blandning av vissa typer av bakterier och jäst. Dessa jäsningsfabriker, som vanligtvis innehåller en bakterieslag och en eller flera jästarter, producera etanol, cellulosa, och ättiksyra, vilket ger kombucha -te dess unika smak.

De flesta vildjäststammar som används för jäsning är svåra att genetiskt modifiera, så forskarna ersatte dem med en stam av laboratoriejäst som kallas Saccharomyces cerevisiae. De kombinerade jästen med en typ av bakterier som kallas Komagataeibacter rhaeticus, som deras medarbetare vid Imperial College London tidigare hade isolerat från en kombuchamamma. Denna art kan producera stora mängder cellulosa.

Eftersom forskarna använde en laboratoriestam av jäst, de kunde konstruera cellerna för att göra något av det som labjäst kan göra - till exempel producerar enzymer som lyser i mörkret, eller avkänning av föroreningar i miljön. Jästen kan också programmeras så att de kan bryta ner föroreningar efter att ha upptäckt dem.

Under tiden, bakterierna i kulturen producerar stora mängder hård cellulosa för att fungera som en byggnadsställning. Forskarna utformade sitt system så att de kan styra om jästen själv, eller bara enzymerna som de producerar, införlivas i cellulosastrukturen. Det tar bara några dagar att odla materialet, och om den lämnas tillräckligt länge, det kan tjockna för att uppta ett utrymme så stort som ett badkar.

"Vi tycker att det här är ett bra system som är väldigt billigt och mycket enkelt att göra i mycket stora mängder, "Säger Tang." Det är minst tusen gånger mer material än E.coli -systemet. "

Lägg bara till te

För att demonstrera potentialen i deras mikrobkultur, som de kallar "Syn-SCOBY, "forskarna skapade ett material som innehåller jäst som känner av östradiol, som ibland finns som en miljöförorening. I en annan version, de använde en jäststam som producerar ett glödande protein som kallas luciferas när det utsätts för blått ljus. Dessa jästsvampar kan bytas ut mot andra stammar som detekterar andra föroreningar, metaller, eller patogener.

Kulturen kan odlas i normalt jästodlingsmedium, som forskarna använde för de flesta av sina studier, men de har också visat att det kan växa i te med socker. Forskarna föreställer sig att kulturerna kan anpassas så att människor kan använda dem hemma för odling av vattenfilter eller andra användbara material.

"I stort sett alla kan göra detta i sitt kök eller hemma, "Tang säger." Du behöver inte vara expert. Du behöver bara socker, du behöver te för att ge näringsämnen, och du behöver en bit Syn-SCOBY-mamma. "