Ingenieurs van MIT en Imperial College London hebben een nieuwe manier ontwikkeld om sterke, functionele materialen die een mengsel van bacteriën en gist gebruiken, vergelijkbaar met de "kombucha-moeder" die wordt gebruikt om thee te fermenteren.

Met behulp van dit mengsel, ook wel een SCOBY (symbiotische cultuur van bacteriën en gist) genoemd, de onderzoekers waren in staat om cellulose te produceren die is ingebed met enzymen die verschillende functies kunnen vervullen, zoals het detecteren van milieuverontreinigende stoffen. Ze toonden ook aan dat ze gist rechtstreeks in het materiaal konden verwerken, het creëren van "levende materialen" die kunnen worden gebruikt om water te zuiveren of om "slimme" verpakkingsmaterialen te maken die schade kunnen detecteren.

"We voorzien een toekomst waarin diverse materialen thuis of in lokale productiefaciliteiten kunnen worden gekweekt, met behulp van biologie in plaats van resource-intensieve gecentraliseerde productie, " zegt Timothy Lu, een MIT universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica en biologische technologie.

Lu en Tom Ellis, een professor in bio-engineering aan het Imperial College London, zijn de senior auteurs van het papier, die vandaag verschijnt in Natuurmaterialen . De hoofdauteurs van het artikel zijn MIT-afgestudeerde student Tzu-Chieh Tang en postdoc Charlie Gilbert van de Universiteit van Cambridge.

Arbeidsverdeling

Een aantal jaar geleden, Lu's lab ontwikkelde een manier om E. coli te gebruiken om biofilms te genereren die zijn ingebed in materialen zoals gouden nanodraden. Echter, die films zijn erg klein en dun, waardoor ze moeilijk te gebruiken zijn in de meeste grootschalige toepassingen. In de nieuwe studie de onderzoekers gingen op zoek naar een manier om microben te gebruiken om grotere hoeveelheden meer substantiële materialen te genereren.

Ze dachten aan het creëren van een microbenpopulatie vergelijkbaar met een kombucha-moeder, dat is een mengsel van bepaalde soorten bacteriën en gist. Deze fermentatiefabrieken, die meestal één bacteriesoort en één of meer gistsoorten bevatten, ethanol produceren, cellulose, en azijnzuur, die kombuchathee zijn kenmerkende smaak geeft.

De meeste wilde giststammen die voor fermentatie worden gebruikt, zijn moeilijk genetisch te modificeren, dus vervingen de onderzoekers ze door een stam van laboratoriumgist genaamd Saccharomyces cerevisiae. Ze combineerden de gist met een soort bacterie genaamd Komagataeibacter rhaeticus, die hun medewerkers aan het Imperial College London eerder hadden geïsoleerd van een kombucha-moeder. Deze soort kan grote hoeveelheden cellulose produceren.

Omdat de onderzoekers een laboratoriumstam van gist gebruikten, ze zouden de cellen kunnen manipuleren om alle dingen te doen die laboratoriumgist kan doen, bijvoorbeeld enzymen produceren die oplichten in het donker, of het waarnemen van verontreinigende stoffen in het milieu. De gist kan ook zo worden geprogrammeerd dat ze verontreinigende stoffen kunnen afbreken nadat ze zijn gedetecteerd.

In de tussentijd, de bacteriën in de kweek produceren grote hoeveelheden taaie cellulose om als steiger te dienen. De onderzoekers hebben hun systeem zo ontworpen dat ze kunnen controleren of de gist zelf, of alleen de enzymen die ze produceren, worden opgenomen in de cellulosestructuur. Het duurt slechts een paar dagen om het materiaal te laten groeien, en als je het lang genoeg laat, het kan dikker worden om een ​​ruimte zo groot als een badkuip in beslag te nemen.

"We denken dat dit een goed systeem is dat erg goedkoop is en heel gemakkelijk te maken in zeer grote hoeveelheden, "zegt Tang. "Het is minstens duizend keer meer materiaal dan het E.coli-systeem."

Voeg gewoon thee toe

Om het potentieel van hun microbencultuur te demonstreren, die ze "Syn-SCOBY, "De onderzoekers creëerden een materiaal met gist dat estradiol detecteert, die soms wordt aangetroffen als een milieuverontreinigende stof. In een andere versie, ze gebruikten een giststam die bij blootstelling aan blauw licht een gloeiend eiwit produceert dat luciferase wordt genoemd. Deze gisten kunnen worden verwisseld voor andere stammen die andere verontreinigende stoffen detecteren, metalen, of ziekteverwekkers.

De cultuur kan worden gekweekt in normaal gistkweekmedium, die de onderzoekers voor de meeste van hun studies gebruikten, maar ze hebben ook aangetoond dat het in thee met suiker kan groeien. De onderzoekers stellen zich voor dat de culturen kunnen worden aangepast zodat mensen ze thuis kunnen gebruiken voor het kweken van waterfilters of andere nuttige materialen.

"Vrijwel iedereen kan dit in de keuken of thuis doen, ' zegt Tang. 'Je hoeft geen expert te zijn. Je hebt alleen suiker nodig, je hebt thee nodig om de voedingsstoffen te leveren, en je hebt een stukje Syn-SCOBY-moeder nodig."