基因工程细菌制造用于自我修复墙壁和清理污染的生物材料

只需一个培养箱和一些肉汤，研究人员就可以培育出由细菌制成的可重复使用的过滤器，以清理污染的水、检测环境中的化学物质并保护表面免受生锈和霉菌的侵害。

我是一名合成生物学家，研究工程生物材料——由具有多种功能的活细胞制成的物质。在我最近发表的研究中，我对细菌进行了编程以形成活的材料，这些材料不仅可以针对不同的应用进行修改，而且还可以快速且易于生产。

从活细胞到可用材料

与人类细胞一样，细菌含有提供构建蛋白质指令的DNA。可以修改细菌DNA以指导细胞构建新的蛋白质，包括自然界中不存在的蛋白质。研究人员甚至可以精确控制这些蛋白质在细胞内的位置。

因为工程生物材料是由活细胞制成的，它们可以通过基因工程来执行多种功能，就像用不同的应用程序为手机编程一样。例如，研究人员可以将细菌变成环境污染物的传感器，方法是在某些分子存在的情况下改变它们的颜色。研究人员还使用细菌来制造石灰石颗粒，这种化学物质用于制造聚苯乙烯泡沫塑料和生活光伏等。

工程生物材料面临的一个主要挑战是弄清楚如何诱导它们产生基质或细胞周围的物质，从​​而使研究人员能够控制最终材料的物理特性，例如其粘度、弹性和刚度。为了解决这个问题，我和我的团队创建了一个系统来在细菌的DNA中编码这个矩阵。

我们修改了新月形茎杆菌的DNA，使细菌细胞在其表面产生由大量弹性蛋白组成的基质。这些弹性蛋白质具有相互结合并形成水凝胶的能力，水凝胶是一种可以保留大量水分的材料。

当两个经过基因改造的细菌细胞靠近时，这些蛋白质就会聚集在一起，使细胞相互连接。通过用这种粘性、弹性材料包围每个细胞，细菌细胞将聚集在一起形成活的粘液。

此外，我们可以修改弹性蛋白以改变最终材料的特性。例如，我们可以将细菌变成坚硬的建筑材料，在损坏时能够自我修复。或者，我们可以将细菌转化为可用作产品填充物的柔软材料。

生活物质优势

通常，创建多功能材料非常困难，部分原因是加工成本非常昂贵。另一方面，就像一棵从种子中长出的树一样，生命材料是从对营养和能量需求最少的细胞中生长出来的。它们的可生物降解性和最低的生产要求可实现可持续和经济的生产。

制造生活材料的技术简单且便宜。只需要一个摇动培养箱、蛋白质和糖，就可以从细菌中培养出一种多功能、高性能的材料。孵化器只是一个金属或塑料盒，可将温度保持在约98.6华氏度(37摄氏度)，远低于传统的家用烤箱，并且以比搅拌机慢的速度摇动细胞。

将细菌转化为生命材料也是一个快速的过程。我和我的团队能够在大约24小时内培养出我们的细菌生物材料。与其他材料的制造过程相比，这相当快，包括可能需要数年才能生产的木材等生物材料。

此外，我们的活细菌粘液易于运输和储存。它可以在室温下在罐子中存活长达三周，然后放回新鲜培养基中重新生长。这可以降低基于这些材料的未来技术的成本。

最后，工程生活材料是一种环保技术。因为它们是由活细胞制成的，所以它们具有生物相容性，或无毒、可生物降解或可自然分解。

正如这段新月形茎杆菌在表面定殖的视频所示，细菌繁殖非常迅速且非常容易。

我们的细菌生物材料仍有一些方面需要澄清。例如，我们不确切知道细菌细胞表面的蛋白质如何相互作用，或者它们之间的结合强度如何。我们也不确切知道需要多少蛋白质分子才能将细胞保持在一起。

回答这些问题将使我们能够进一步定制具有不同功能所需品质的生活材料。

接下来，我计划探索种植不同类型的细菌作为生命材料，以扩大它们的应用范围。对于不同的目的，某些类型的细菌比其他类型的细菌更好。例如，一些细菌在特定环境中存活最好，例如人体、土壤或淡水。另一方面，有些可以适应不同的外部条件，如不同的温度、酸度和盐度。

通过有多种细菌可供选择，研究人员可以进一步定制他们可以创造的材料。