Бактериальные споры: живые материалы будущего

Бактериальные споры, представляющие собой устойчивые формы существования некоторых видов бактерий, открывают новые горизонты в области спроектированных живых материалов (ELM). Исследователи из Делфтского университета технологий успешно внедрили споры Bacillus в структуру ELM, создав материалы, способные не только выдерживать неблагоприятные условия, но и выполнять заданные функции.

Эти автономно растущие ELM обладают широким спектром потенциальных применений: от обнаружения биомаркеров заболеваний и нейтрализации экологических загрязнителей до функционирования в качестве самовосстанавливающихся композитов. Последнее, например, может найти применение в строительстве, подобно самовосстанавливающемуся бетону, разработанному коллегой Хенком Йонкерсом.

«Представьте, что бактерии сами производят минералы, которые заделывают трещины в бетоне — мы могли бы получить саморемонтирующиеся стены», — делится первым соавтором статьи Чонг-Джу О. «Более того, этот подход способствует устойчивому развитию, поскольку ELM могут заменить в нашей повседневной жизни материалы на основе ископаемого топлива, такие как пластик».

Ключевым преимуществом новых материалов является их программируемая функциональность по запросу. ELM могут переходить в спящий режим, выживать в экстремальных условиях и активироваться при необходимости. «Обычные живые клетки способны выполнять полезные функции, например, обнаруживать биомаркеры, но живут они недолго. Мы же хотели создать материал, которым можно пользоваться в любое время», — поясняет О.

Вдохновение жизненным циклом бактерий

«Мы искали способ поддерживать жизнеспособность клеток и вдохновились жизненным циклом бактерий», — продолжает О. Некоторые бактерии способны переходить в дормантное, метаболически неактивное состояние, называемое спорой. Споры чрезвычайно устойчивы к высокой температуре, обезвоживанию и химическому воздействию.

«Это дормантное состояние позволяет нам 'разбудить' бактерии, когда требуются запрограммированные функции», — говорит О. «При использовании обычных бактерий материал функционирует лишь несколько дней или неделю. Мы обнаружили, что споры сохраняют свою функциональность даже через шесть месяцев».

Сотрудничество двух видов

Для создания материала ученые объединили два вида бактерий: Komagataeibacter rhaeticus и Bacillus subtilis. Первый вид производит прочные волокна бактериальной целлюлозы, служащие защитным барьером. Второй вид обеспечивает способность к образованию спор.

Полученная смесь формирует прочный живой материал. Необходимая функциональность была добавлена путем генетической модификации поверхности спор Bacillus. Кроме того, генная инженерия улучшила связывание спор с целлюлозой.

Шаг за шагом к реальному применению

Прежде чем эти материалы станут частью нашей повседневной жизни, их эффективность и долгосрочная стабильность должны соответствовать стандартам существующих материалов. «На данном этапе наша работа находится на стадии лабораторного подтверждения концепции», — отмечает О. «Чтобы использовать эти материалы, например, в бетоне, их прочность должна быть сопоставима с прочностью современных строительных материалов. Но результаты уже весьма обнадеживают. Шаг за шагом я надеюсь заменить неустойчивые материалы на живые, самоподдерживающиеся».