Gebouwen zijn niet anders dan een menselijk lichaam. Ze hebben botten en huid; ze ademen. geëlektrificeerd, ze verbruiken energie, temperatuur regelen en afval genereren. Gebouwen zijn organismen, zij het levenloze.

Maar wat als gebouwen - muren, daken, vloeren, ramen - waren eigenlijk levend - gegroeid, onderhouden en genezen door levende materialen? Stel je voor dat architecten genetische hulpmiddelen gebruiken die de architectuur van een gebouw coderen tot in het DNA van organismen, waaruit vervolgens gebouwen groeien die zichzelf repareren, omgaan met hun bewoners en zich aanpassen aan de omgeving.

Levende architectuur beweegt zich van het rijk van sciencefiction naar het laboratorium, terwijl interdisciplinaire teams van onderzoekers levende cellen veranderen in microscopisch kleine fabrieken. Aan de Universiteit van Colorado Boulder, Ik leid het Living Materials Laboratory. Samen met medewerkers in de biochemie, microbiologie, materiaalkunde en bouwtechniek, we gebruiken toolkits voor synthetische biologie om bacteriën te ontwikkelen om nuttige mineralen en polymeren te maken en deze te vormen tot levende bouwstenen die, op een dag, gebouwen tot leven brengen.

In een studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , mijn collega's en ik genetisch geprogrammeerd E coli om kalksteendeeltjes met verschillende vormen te maken, maten, stijfheid en taaiheid. In een andere studie, dat hebben we laten zien E coli kan genetisch worden geprogrammeerd om styreen te produceren - de chemische stof die wordt gebruikt om polystyreenschuim te maken, algemeen bekend als piepschuim.

Groene cellen voor groen bouwen

In ons meest recente werk, gepubliceerd in Materie , we gebruikten fotosynthetische cyanobacteriën om ons te helpen structureel bouwmateriaal te kweken - en we hielden het in leven. gelijk aan algen, cyanobacteriën zijn groene micro-organismen die overal in de omgeving voorkomen, maar die vooral bekend staan ​​om hun groei op de muren in uw aquarium. In plaats van CO . uit te stoten ₂ , cyanobacteriën gebruiken CO ₂ en zonlicht om te groeien en, onder de juiste omstandigheden, een biocement maken, die we gebruikten om ons te helpen zanddeeltjes samen te binden om een ​​levende baksteen te maken.

Door de cyanobacteriën in leven te houden, we waren in staat om bouwmaterialen exponentieel te produceren. We namen een levende steen, spleet het in tweeën en groeiden twee volle stenen uit de helften. De twee volle stenen groeiden uit tot vier, en vier groeiden uit tot acht. In plaats van één steen tegelijk te maken, we maakten gebruik van de exponentiële groei van bacteriën om veel stenen tegelijk te laten groeien, wat een geheel nieuwe methode voor het vervaardigen van materialen demonstreerde.

Onderzoekers hebben slechts de oppervlakte van het potentieel van gemanipuleerde levende materialen bekrast. Andere organismen zouden andere levende functies kunnen verlenen aan materiële bouwstenen. Bijvoorbeeld, verschillende bacteriën kunnen materialen produceren die zichzelf genezen, voelen en reageren op externe prikkels zoals druk en temperatuur, of zelfs oplichten. Als de natuur het kan, levende materialen kunnen worden ontworpen om het te doen, te.

Het kost ook minder energie om levende gebouwen te produceren dan standaard gebouwen. Het maken en transporteren van de huidige bouwmaterialen kost veel energie en stoot veel CO . uit ₂ . Bijvoorbeeld, kalksteen wordt verbrand om cement voor beton te maken. Metalen en zand worden gewonnen en gesmolten om staal en glas te maken. De vervaardiging, transport en montage van bouwmaterialen is goed voor 11% van de wereldwijde CO ₂ uitstoot. De cementproductie alleen al is goed voor 8%. In tegenstelling tot, sommige levende materialen, zoals onze cyanobacteriënbakstenen, zou CO . daadwerkelijk kunnen vastleggen ₂ .

Een groeiend veld

Teams van onderzoekers van over de hele wereld demonstreren de kracht en het potentieel van geconstrueerde levende materialen op vele schalen, inclusief elektrisch geleidende biofilms, levende eencellige katalysatoren voor polymerisatiereacties en levende fotovoltaïsche energie. Onderzoekers hebben levende maskers gemaakt die blootstelling aan giftige chemicaliën detecteren en communiceren. Onderzoekers proberen ook bulkmaterialen te kweken en te assembleren uit een genetisch geprogrammeerde enkele cel.

Hoewel afzonderlijke cellen vaak kleiner zijn dan een micron - een duizendste van een millimeter - maken vorderingen in de biotechnologie en 3D-printen de commerciële productie van levende materialen op menselijke schaal mogelijk. Ecovatief, bijvoorbeeld, kweekt schuimachtige materialen met behulp van schimmelmycelium. Biomason produceert biogecementeerde blokken en keramische tegels met behulp van micro-organismen. Hoewel deze producten aan het einde van het productieproces levenloos worden, onderzoekers van de TU Delft hebben een manier bedacht om levende bacteriën in te kapselen en 3D-printen in meerlaagse structuren die licht kunnen uitstralen wanneer ze bepaalde chemicaliën tegenkomen.

Het gebied van geconstrueerde levende materialen staat nog in de kinderschoenen, en verder onderzoek en ontwikkeling is nodig om de kloof tussen laboratoriumonderzoek en commerciële beschikbaarheid te overbruggen. Uitdagingen omvatten kosten, testen, certificering en opschaling van de productie. Acceptatie door de consument is een ander probleem. Bijvoorbeeld, de bouwsector heeft een negatief beeld van levende organismen. Denk aan schimmel, meeldauw, spinnen, mieren en termieten. We hopen die perceptie te veranderen. Onderzoekers die aan levende materialen werken, moeten ook aandacht besteden aan de bezorgdheid over veiligheid en bioverontreiniging.

De National Science Foundation noemde onlangs engineered living materials een van de belangrijkste onderzoeksprioriteiten van het land. Synthetische biologie en geconstrueerde levende materialen zullen een cruciale rol spelen bij het aanpakken van de uitdagingen waarmee mensen in de jaren 2020 en daarna worden geconfronteerd:klimaatverandering, rampenbestendigheid, verouderde en overbelaste infrastructuur, en ruimteonderzoek.

Als de mensheid een leeg landschap had, hoe zouden mensen dingen bouwen? Wetende wat wetenschappers nu weten, Ik weet zeker dat we geen kalksteen zouden verbranden om cement te maken, erts mijnen om staal te maken of zand smelten om glas te maken. In plaats daarvan, Ik geloof dat we ons tot biologie zouden wenden om ons te helpen bij het bouwen en vervagen van de grenzen tussen onze gebouwde omgeving en de levenden, natuurlijke wereld.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.