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从活着的水泥到提供药物的生物膜 生物学家重塑

更新时间:2020-09-11 18:31点击:

  科罗拉多大学博尔德分校的威尔·斯鲁巴(Wil Srubar)实验室里的砖不仅活着,而且还在繁殖。它们被细菌搅动,这些细菌将沙子,营养物和其他原料转化为生物水泥,就像珊瑚合成礁石的方式一样。分裂一块砖,在几个小时内,您将有两个。

从活着的水泥到提供药物的生物膜 生物学家重塑

  工程生活材料(ELM)旨在模糊边界。他们使用细胞(主要是微生物)来构建惰性结构材料,例如硬化水泥或类似木材的替代物,用于从建筑材料到家具的所有物品。有些产品,例如Srubar的砖,甚至将活细胞整合到最终混合物中。结果就是材料具有惊人的新功能,正如上周在德国萨尔布吕肯举行的2020年生命材料大会上所展示的创新表明:可以自我建造的机场跑道和在体内生长的绷带。“电池是惊人的制造工厂,”东北大学的ELM专家Neel Joshi说。“我们正在尝试使用它们来构造我们想要的东西。”

  人类长期以来从微生物中获取化学药品,例如酒精和药品。但是ELM研究人员正在招募微生物来制造事物。取一块通常由粘土,沙子,石灰和水制成的砖块,将它们混合,模制并烧至1000°C以上。这需要大量的能源,每年会产生数亿吨的碳排放。位于北卡罗来纳州罗利市的一家名为bioMASON的公司是率先探索利用细菌代替热量的公司之一,该公司依靠微生物将养分转化为碳酸钙,从而在室温下将沙子硬化成坚固的建筑材料。

  现在,几个小组正在进一步推广这一想法。“您能通过在沙子和明胶中播种细菌来在某处生长一条临时跑道吗?”问美国海军研究实验室的微生物学家和ELM专家Sarah Glaven。2019年6月,俄亥俄州怀特-帕特森空军基地的研究人员做到了这一点,以创建232平方米的跑道原型。负责美国国防高级研究计划局ELM计划的布雷克·贝特斯汀说,希望是,军工可以携带当地的沙子,砾石和水,而不是运送大量材料来建立远征机场,并申请几桶水泥制造细菌会在几天内创造出新的跑道。

  砖块和跑道水泥不会在最终结构中保留活细胞。但是Srubar的团队正在采取下一步行动。在他们的自生砖中,研究人员将一种基于营养的凝胶与沙子混合,并用形成碳酸钙的细菌进行接种。然后,他们控制温度和湿度以保持细菌的活力。研究人员可以将他们的原始砖切成两半,添加额外的沙子,水凝胶和养分,然后观察细菌在6小时内长出了两块全尺寸的砖。1月15日的《问题》一书报道,经过三代人的努力,他们用八块砖头收尾。(一旦细菌完成了新砖的生长,团队就可以关闭温度和湿度控制。)Srubar称其为“指数材料制造”。

  ELM制造商还利用微生物来制造用于人体的生物材料。微生物自然地散发出相互结合以形成物理支架的蛋白质。更多的细菌可以粘附在其上,从而形成从微生物到牙齿到船体表面的称为生物膜的公共微生物垫。Joshi的研究小组正在开发生物膜,这些生物膜可以保护肠壁,肠壁会在炎症性肠病患者中侵蚀,从而造成溃疡。在2019年12月6日的《自然通讯》上,他们报道了一种工程化的大肠杆菌老鼠胆汁中产生的蛋白质形成了保护性基质,从而保护组织免受通常诱发溃疡的化学物质的侵害。如果这种方法对人有用,那么医生可以用通常在肠道中寄养的工程微生物形式给患者接种。

  在另一种医学用途中,细菌会将常规材料变成制药厂。例如,在2019年12月2日的《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology)中,麻省理工学院的Christopher Voigt和他的同事描述了用一种连续产生细菌的细菌孢子播种一种塑料。微生物合成了一种对危险的传染性细菌金黄色葡萄球菌有效的抗菌化合物。

  由上海理工大学超中所带领的一组研究人员为生物膜设计了不同的用途:为环境排毒。他们从枯草芽孢杆菌开始,该细菌分泌一种叫做TasA的基质形成蛋白。其他研究人员表明,TasA易于通过基因工程与其他蛋白质结合。该团队对TasA进行了调整,使其与一种酶结合,该酶降解一种有毒的工业化合物,称为单(2-羟乙基对苯二甲酸)或MHET。然后,他们证明了由工程菌产生的生物膜可能会破坏MHET,而由两种枯草芽孢杆菌工程菌混合而成的生物膜也可能被破坏。可以对称为对氧磷的有机磷酸酯农药进行两步降解。研究小组在2019年1月的《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology)上报告了这项研究结果,提出了净化空气的活动墙的前景。

  但是,监管问题可能会减慢进度。ELM研究人员利用的许多细菌都是自然产生的,不应触发监管审查。但是,基因工程生物会以及埋在活壁中的工程微生物的前景可能会使监管机构不安。Voigt仍然预测,“我认为十年后,我们将在整个生命产品中找到活细胞。”


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