01 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) 増大する環境問題に直面して、世界中の科学者が持続可能な解決策を模索しています。生体材料（生体を組み込んだ複合材料）のエンジニアリングは、化石燃料由来の材料への依存を減らし、生体システムの固有の特性を活用することにより、大きな可能性をもたらします。

生物で物質科学に革命を起こす

生きた材料は、植物、動物、微生物が通常の生理機能の一部として機能性材料を日常的に製造する自然界からインスピレーションを得ています。たとえば、樹木はリグニン「接着剤」によって結合された硬いセルロース繊維で構成される木質組織を生成しますが、海洋貝は水中で接着剤を分泌し、一部の細菌は電気を生成します。これらの生命システムは、合成材料では達成することが難しい、自己集合、自己修復、応答性、生合成などの独特の能力を示します。合成生物学の分野は、生物を遺伝子レベルで再プログラムするツールを提供し、科学者が目的に合わせた特性を備えた生体材料を操作できるようにします。人工遺伝子回路を導入することで、環境からの信号を感知し、それに応じてユーザー定義の製品を製造するように微生物を設計できます。材料科学者はまた、生体コンポーネントをヒドロゲルや電子デバイスなどの非生体構造と統合する方法を模索しています。結果として得られる「ハイブリッド生体材料」は、合成コンポーネントの堅牢性と製造可能性によって生物の機能を強化することを目的としています。現在、いくつかの新興企業が初期の生体材料技術を商業化しているが、依然として高い製造コストや従来の材料に比べて劣る機械的強度などの課題に悩まされている。しかし、これらのハードルを克服できれば、包装からインフラ建設に至るまでの用途において、生きた素材が持続不可能な従来の素材に取って代わる日が来るかもしれません。

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自然から学ぶ: マテリアル デザインの進化する傑作

生物は、タンパク質、多糖類、ミネラルなどを利用して、驚くべき機能性物質を自然に生成しています。たとえば、木本植物はリグニン、セルロース、ヘミセルロースを生合成して丈夫な木の幹を作りますが、海洋貝は表面に付着するために水中で接着タンパク質を分泌します。最も興味深いことは、これらの生体材料は、自己集合する能力、傷害後の自己治癒能力、環境刺激への適応能力、継続的な自己再生能力など、合成の対応物にはない動的特性を示します。生物からインスピレーションを得た材料の分野は、そのような自然構造を模倣することを目的としていますが、その生きた特性を再現することは依然として困難です。現在、機能性材料を生産するための微生物の「工場」として機能するように生物自体を操作するという新しいアプローチが登場しています。数十億年の進化を経た生化学合成の専門家として、生きた細胞は、多種多様なカスタマイズされたバイオポリマーを製造する持続可能な方法を提供する可能性があります。研究者は、設計に基づいて生体物質システムを分類します。

• 自己組織化された生命物質: 人工細菌、真菌、哺乳動物細胞などの生きた成分のみから構築されています。彼らは、自然な自己集合と環境に反応する行動を再現することを目的としています。
• ハイブリッドリビングマテリアル: 生きたコンポーネントをハイドロゲルや電子デバイスなどの非生物的な足場と結合します。非生きた部分は製造性を高め、埋め込まれた生物の機能を強化します。

アディダスのコンセプトシューズ、スタンスミス マイロ™にはキノコ由来の素材が使用されています。 （画像：アディダス）

合成生物学を使用した生体物質のプログラミング

合成生物学という若い分野は、モジュール性、標準化、モデリングの原理を使用して生物を遺伝的に再プログラムするためのツールキットを提供します。合成生物学者は、基本的な遺伝機能をコード化する、十分に特徴付けられた DNA 部分のライブラリーを使用して、人工遺伝子回路を導入し、細胞にコンピューターのような機能を与えることができます。たとえば、操作された遺伝子ネットワークにより、微生物は化学シグナルを感知したり、論理計算を実行したり、集団全体でその行動を同期したりすることができます。研究者たちは、合成生物学を活用することで、プログラムされた機能を備えた自己組織化生体材料を開発するためのさまざまな戦略を模索しています。

• マテリアルビルディングブロックのカスタマイズ: 細胞分泌タンパク質または多糖は、組換え DNA 技術を使用してペプチドまたはタンパク質と融合することで機能化できます。例えば、 E. 大腸菌の バイオフィルムマトリックスタンパク質は、重金属の吸収と水中での接着を可能にするために修飾されています。
• 刺激応答性遺伝子回路の設計: 毒素、光、電場などの信号を検出する回路を導入することで、生物材料が環境を感知して動的に応答できるようになります。
• 細胞間通信のエンジニアリング: クオラム センシングなどの通信モジュールを組み込むことで、操作された細胞の集団が材料の製造とパフォーマンスを集合的に自己制御できるようになります。
• 人工微生物コンソーシアムの構築：異なる集団間でタスクを分割すると、代謝負担を分散することで、より複雑な物質機能が可能になります。

挙げた例以外にも、自然はインスピレーションの宝庫です。クモの糸は驚くべき強度と柔軟性を誇り、骨は自己再生能力を発揮します。研究者は、人工材料でこれらの特性を模倣する方法を模索しています。たとえば、菌類の根のような構造である菌糸体は、持続可能な包装材や建築材料を作成するために使用されています。炭酸カルシウムを生成できるバクテリアが、ひび割れを自ら修復できる自己修復コンクリートに組み込まれています。科学者たちは、汚染や温度に反応して色を変える微生物を含んだ布地をデザインしていることさえある。

世界の橋渡し: 生物と非生物のハイブリッド材料の相乗効果

純粋に生命から構成されていますが、人工生物によって製造された材料は現在、機械的強度が弱いなどの制限を受けています。これに対処するために、研究者らは、材料科学の製造技術を利用しながら、生きた細胞と堅牢な非生物コンポーネントを組み合わせるハイブリッドシステムを探索しています。たとえば、3D プリンティングなどの技術 マイクロフルイディクス カスタマイズ可能なポリマーヒドロゲル内での生細胞の制御されたカプセル化が可能になります。これらのゲルは、ハイブリッド材料全体の物理的特性を強化しながら、細胞の生存能力を維持するための柔らかい水生環境を提供します。他のケースでは、研究者は、微生物の代謝と相乗して新しい材料の機能を可能にする機能的な非生物成分を組み込んでいます。例としては、CO に電力を供給するために光エネルギーを収集する半導体ナノ粒子が含まれます。2-操作された遺伝子回路と接続する細菌と電子センサーを固定する。

生体材料の実世界への応用

生きた物質の変革力は、実験台や理論研究に限定されません。それは世界中のさまざまな分野で展開されている現実です。これらの現実世界のアプリケーションは、生物学と工学原理の革新的な統合により、持続可能なソリューションがどのように具体的でアクセスしやすいものになっているかを示しています。自ら修復する建物から、人体に反応する繊維、菌類の根から成長する包装材料に至るまで、以下のケーススタディでは、すでに影響を及ぼしている実際の製品や技術に焦点を当てています。これらの例は、自然の知恵と人間の創造性の間のギャップを埋めることによって、生きている材料の実用性だけでなく、産業を大きく変え、環境成果を改善し、日常生活を向上させる可能性も強調しています。 生きた建築物 　 Hy-Fiのインストール建築グループ The Living によって作成されたこのプロジェクトは、建築における生物工学材料の可能性を実証しています。トウモロコシの茎と生きた菌糸体から作られた生分解性レンガで作られたこの構造は、強度やデザインに妥協せず、持続可能で堆肥化可能な建築プロジェクトを作成するために生きた材料をどのように使用できるかを示しており、グリーンビルディングの未来を示唆しています。 Hy-Fiの設置風景。 （画像：MoMA） 菌糸体からの環境に優しい建築材料 菌類の根の構造である菌糸体は、持続可能な材料イノベーションの最前線にあり、次のような企業が取り組んでいます。 MycoWorks & エコデザイン 道を先導する。これらの企業は、菌糸体の自然な成長プロセスを利用して、強くて耐久性があるだけでなく、完全に生分解性の材料を作成しています。農業廃棄物を菌糸体に与えることで、皮革の代替品から包装材や断熱材に至るまでの製品を形作り、循環経済の原則が実践されている説得力のある例を提供しています。 自己修復コンクリート バジリスク自己修復コンクリート 建築資材の画期的な進歩を表しています。この革新的なコンクリートには特定のバクテリアが組み込まれており、水にさらされると活性化して亀裂を石灰石で埋め、本質的にコンクリートを修復します。このプロセスは、材料の寿命を大幅に延長し、メンテナンスコストを削減し、コンクリート業界全体の二酸化炭素排出量を潜在的に削減することで環境に優しい代替手段を提供します。 バイオプラスチックの生産 Newlight Technologies の AirCarbon メタンを食べる細菌を利用して生分解性プラスチックの代替品を生産することで、プラスチック汚染と気候変動という二重の課題に取り組んでいます。このプロセスは、強力な温室効果ガスであるメタンを空気から捕捉し、ファッションアイテムから食品パッケージに至るまで、幅広い製品に使用できる材料に変換し、二酸化炭素排出量と廃棄物を削減するための新しいアプローチを示しています。 エンジニアリングリビングコーティング インディゴ農業 微生物の種子コーティングを使用して、持続可能な方法で作物の健康と収量を向上させます。これらのコーティングには、干ばつや害虫に対する植物の回復力を向上させる有益なバクテリアが含まれており、化学肥料や殺虫剤の必要性を減らします。この革新的なアプローチは、持続可能な農業実践をサポートするだけでなく、生きた材料が世界の食料安全保障に貢献する可能性を浮き彫りにします。 ウェアラブルバイオセンサー モーフィングマターラボ は、納豆菌の生きた細胞を組み込んだ応答性の高い生地を使用して、生きた素材を繊維産業に統合するバイオロジックの先駆者です (バチルス・サブチリス) 湿度に敏感なナノアクチュエータとして。着用者の汗に応じて生地のフラップが開閉し、自然な通気性を実現します。このスマートテキスタイルのイノベーションは、快適性、機能性、持続可能性を組み合わせたウェアラブルテクノロジーの新たな可能性を切り開きます。

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生きた素材の持続可能性の可能性を実現する

支持者らは、生きた素材は従来の製造と比較して、次のような持続可能性の利点をいくつか提供できると信じています。

• 遺伝子組み換え微生物を細胞工場として使用し、再生可能なバイオプラスチック、皮革代替品、顔料を生産します。これにより、石油化学原料への依存が軽減されます。
• 汚染物質や廃棄物の積極的なバイオレメディエーションに生物を利用します。人工微生物は、空気から炭素を捕捉したり、プラスチック廃棄物を分解したりする可能性を示しています。
• 食品の保存期間を延ばし、腐敗と廃棄物を減らすプロバイオティクスの生きたコーティングを設計します。
• より持続可能な農業のための微生物ベースの肥料として窒素固定細菌またはミネラル沈着細菌を使用し、合成肥料の必要量を削減します。

生きた材料には大きな期待が寄せられていますが、広く普及するにはいくつかのハードルに対処する必要があります。現在、製造コストは多くの従来の材料を超えています。遺伝子組み換え生物の使用は生物学的安全性の懸念を引き起こし、厳格な封じ込めと環境リスク評価が必要です。合成生物学に対する一般の認識はさまざまであり、利点と潜在的なリスクについて明確にコミュニケーションすることが重要です。最後に、生体材料のエンジニアリングには、従来は交流がなかった分野間のコラボレーションを促進する、真の学際的なアプローチが必要です。それにもかかわらず、生きた材料は、合成生物学と材料科学の間の刺激的な交差点を表します。細胞の操作と微生物群集の管理が継続的に進歩することで、生きた技術が化学物質の製造、廃水の処理、空気からの炭素の隔離などのための持続可能なソリューションを提供する日が来るかもしれません。しかし、この未来的なビジョンを現実にするためには、この分野での大きな進歩が必要となります。結論として、人工生体材料は持続可能な製造への画期的なアプローチであり、従来の合成材料に代わる魅力的な代替品を提供します。科学者や革新者は、生物の力を利用し、高度な工学技術と統合することにより、自己集合、自己修復、適応性などの優れた特性を示す材料を作成しています。菌糸体から成長させた環境に優しい建築材料から、細菌によって生成される自己修復コンクリートや生分解性プラスチックに至るまで、生きた材料の現実世界への応用は、産業に革命を起こし、環境への影響を軽減し、私たちの日常生活を向上させる可能性を実証しています。合成生物学の進歩や学際的な共同研究によってこの分野が進歩し続けるにつれ、生体材料はより持続可能な未来を形作る上で重要な役割を果たす態勢が整っています。ただし、この可能性を実現するには、生産コスト、生物学的安全性への懸念、一般の認識などの課題に対処する必要があります。それにもかかわらず、生きた材料の可能性は否定できず、その開発は地球規模の持続可能性の課題に対する革新的な解決策の探求における刺激的なフロンティアを表しています。

さらに詳しく: 生体材料の未来への扉

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By

Michael Liebreich
バーガー

– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
ナノ社会：技術の境界を押し上げる,
ナノテクノロジー：未来は小さい,
ナノエンジニアリング：テクノロジーを見えなくするスキルとツール
著作権©

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• 情報源： https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64949.php