Инженеры Массачусетского технологического института и Имперского колледжа Лондона разработали новый способ создания прочных функциональных материалов с использованием смеси бактерий и дрожжей, аналогичной "матке чайного гриба", используемой для ферментации чая.
Используя эту смесь, также называемую SCOBY (симбиотическая культура бактерий и дрожжей), исследователи смогли получить целлюлозу, содержащую ферменты, которые могут выполнять множество функций, например определять загрязнители окружающей среды. Они также показали, что могут включать дрожжи непосредственно в материал, создавая "живые материалы", которые можно использовать для очистки воды или для изготовления «умных» упаковочных материалов, которые могут обнаруживать повреждения.
Лу и Том Эллис, профессор биоинженерии в Имперском колледже Лондона, являются старшими авторами статьи, опубликованной в журнале Nature Materials. Ведущими авторами статьи являются аспирант Массачусетского технологического института Цу-Чи Тан и постдок Кембриджского университета Чарли Гилберт.
Несколько лет назад лаборатория Лу разработала способ использования кишечной палочки для создания биопленок, содержащих такие материалы, как золотые нанопроволоки. Однако эти пленки очень маленькие и тонкие, что затрудняет их использование в большинстве крупномасштабных приложений. В новом исследовании исследователи решили найти способ использовать микробы для создания большего количества более важных материалов.
Они подумали о создании популяции микробов, подобных материнскому чайному грибу, который представляет собой смесь определенных типов бактерий и дрожжей. Эти ферментационные фабрики, которые обычно содержат один вид бактерий и один или несколько видов дрожжей, производят этанол, целлюлозу и уксусную кислоту , которые придают чаю чайный гриб характерный аромат.
Большинство штаммов диких дрожжей, используемых для ферментации, сложно генетически модифицировать, поэтому исследователи заменили их штаммом лабораторных дрожжей под названием Saccharomyces cerevisiae . Они объединили дрожжи с типом бактерий, называемых Komagataeibacter rhaeticus , которые их сотрудники из Имперского колледжа Лондона ранее выделили от матери чайного гриба. Этот вид может производить большое количество целлюлозы.
Поскольку исследователи использовали лабораторный штамм дрожжей, они могли сконструировать клетки, чтобы они могли делать все, что могут делать лабораторные дрожжи — например, производить ферменты, которые светятся в темноте, или чувствовать загрязняющие вещества в окружающей среде. Дрожжи также можно запрограммировать так, чтобы они могли разрушать загрязняющие вещества после их обнаружения.
Между тем, бактерии в культуре производят большие количества прочной целлюлозы, которая служит в качестве основы. Исследователи разработали свою систему так, чтобы они могли контролировать, включены ли сами дрожжи или только производимые ими ферменты в структуру целлюлозы. Чтобы вырастить материал, требуется всего несколько дней, и если оставить его достаточно долго, он может утолщаться и занять пространство размером с ванну.
Чтобы продемонстрировать потенциал своей микробной культуры, которую они называют "Syn-SCOBY", исследователи создали материал, содержащий дрожжи, которые чувствуют эстрадиол, который иногда обнаруживается как загрязнитель окружающей среды. В другой версии они использовали штамм дрожжей, которые вырабатывают светящийся белок под названием люцифераза при воздействии синего света. Эти дрожжи можно заменить другими штаммами, которые обнаруживают другие загрязнители, металлы или патогены.
Культуру можно выращивать в нормальной среде для культивирования дрожжей, которую исследователи использовали в большинстве своих исследований, но они также показали, что она может расти в чае с сахаром. Исследователи предполагают, что культуры могут быть адаптированы для людей, которые будут использовать их дома для выращивания фильтров для воды или других полезных материалов.