01 april 2024 (Nanowerk-schijnwerper) Geconfronteerd met toenemende milieu-uitdagingen zoeken wetenschappers over de hele wereld naar duurzame oplossingen. Het engineeren van levende materialen – composieten waarin levende organismen zijn verwerkt – biedt grote beloftes door onze afhankelijkheid van materialen afgeleid van fossiele brandstoffen te verminderen en de unieke eigenschappen van levende systemen te benutten.

Een revolutie in de materiaalkunde met levende organismen

Levende materialen zijn geïnspireerd op de natuurlijke wereld, waar planten, dieren en microben routinematig functionele materialen produceren als onderdeel van hun normale fysiologie. Bomen produceren bijvoorbeeld houtachtig weefsel dat bestaat uit stijve cellulosevezels die bij elkaar worden gehouden door lignine-“lijm”, terwijl zeemosselen onderwaterkleefstoffen afscheiden en sommige bacteriën elektriciteit opwekken. Deze levende systemen vertonen onderscheidende capaciteiten zoals zelfassemblage, zelfgenezing, reactievermogen en biosynthese die moeilijk te bereiken zijn met synthetische materialen. Het vakgebied van de synthetische biologie biedt hulpmiddelen om organismen op genetisch niveau te herprogrammeren, waardoor wetenschappers levende materialen met op maat gemaakte eigenschappen kunnen ontwikkelen. Door kunstmatige gencircuits te introduceren, kunnen microben worden ontworpen om signalen uit de omgeving waar te nemen en dienovereenkomstig door de gebruiker gedefinieerde producten te vervaardigen. Materiaalwetenschappers onderzoeken ook hoe ze levende componenten kunnen integreren met niet-levende structuren zoals hydrogels en elektronische apparaten. De resulterende ‘hybride levende materialen’ hebben tot doel de functionaliteit van organismen te vergroten met de robuustheid en maakbaarheid van synthetische componenten. Verschillende startups commercialiseren nu technologieën voor vroege levende materialen, maar ze blijven kampen met uitdagingen zoals hoge productiekosten en inferieure mechanische sterkte in vergelijking met conventionele materialen. Als deze hindernissen echter kunnen worden overwonnen, kunnen levende materialen op een dag niet-duurzame conventionele materialen vervangen in toepassingen variërend van verpakking tot infrastructuurconstructies.

[Ingesloten inhoud]

Leren van de natuur: evolutionaire meesterwerken in materiaalontwerp

Levende organismen produceren van nature een verbazingwekkende reeks functionele materialen met behulp van eiwitten, polysachariden en mineralen. Houtachtige planten biosynthetiseren bijvoorbeeld lignine, cellulose en hemicellulose om stevige boomstammen te bouwen, terwijl zeemosselen onderwaterkleefeiwitten afscheiden voor hechting aan oppervlakken. Het meest intrigerende is dat deze levende materialen dynamische eigenschappen vertonen die synthetische tegenhangers missen, zoals het vermogen om zichzelf te assembleren, zichzelf te genezen na een blessure, zich aan te passen aan omgevingsstimuli en een voortdurende zelfvernieuwing te ondergaan. Het veld van bio-geïnspireerde materialen heeft tot doel dergelijke natuurlijke structuren na te bootsen, maar het repliceren van hun levende eigenschappen blijft een uitdaging. Nu is er een opkomende aanpak om de organismen zelf zo te ontwerpen dat ze kunnen dienen als microbiële ‘fabrieken’ voor de productie van functionele materialen. Als experts in biochemische synthese na miljarden jaren van evolutie bieden levende cellen potentieel een duurzame manier om een ​​enorme diversiteit aan op maat gemaakte biopolymeren te produceren. Onderzoekers categoriseren levende materiaalsystemen op basis van hun ontwerpen:

• Zelforganiserende levende materialen: uitsluitend opgebouwd uit levende componenten zoals kunstmatige bacteriën, schimmels of zoogdiercellen. Ze zijn bedoeld om de natuurlijke zelfassemblage en het milieuvriendelijke gedrag te recapituleren.
• Hybride levende materialen: Voeg levende componenten samen met abiotische steigers zoals hydrogels en elektronische apparaten. De niet-levende delen verbeteren de maakbaarheid en vergroten de functionaliteit van ingebedde organismen.

De conceptschoen van Adidas, Stan Smith Mylo™, maakt gebruik van materialen afgeleid van paddenstoelen. (Afbeelding: Adidas)

Programmeren van levende materialen met behulp van synthetische biologie

Het jonge vakgebied van de synthetische biologie biedt een toolkit voor het genetisch herprogrammeren van organismen met behulp van principes van modulariteit, standaardisatie en modellering. Met behulp van bibliotheken met goed gekarakteriseerde DNA-onderdelen die genetische basisfuncties coderen, kunnen synthetische biologen kunstmatige gencircuits introduceren om cellen computerachtige mogelijkheden te geven. Dankzij gemanipuleerde genennetwerken kunnen microben bijvoorbeeld chemische signalen waarnemen, logische berekeningen uitvoeren of hun gedrag tussen populaties synchroniseren. Door gebruik te maken van synthetische biologie onderzoeken onderzoekers verschillende strategieën om zelforganiserende levende materialen met geprogrammeerde functionaliteiten te ontwikkelen:

• Het aanpassen van materiële bouwstenen: Door cellen uitgescheiden eiwitten of polysachariden kunnen worden gefunctionaliseerd door ze te fuseren met peptiden of eiwitten met behulp van recombinant-DNA-technologie. Bijvoorbeeld, E. coli biofilmmatrixeiwitten zijn gemodificeerd om de absorptie van zware metalen en adhesie onder water mogelijk te maken.
• Het ontwerpen van stimulus-responsieve gencircuits: Door circuits te introduceren die signalen zoals gifstoffen, licht of elektrische velden detecteren, kunnen levende materialen omgevingen dynamisch waarnemen en erop reageren.
• Technische cel-celcommunicatie: Door communicatiemodules zoals quorum-sensing te integreren, kunnen populaties van gemanipuleerde cellen collectief de fabricage en prestaties van materialen zelf reguleren.
• Het construeren van kunstmatige microbiële consortia: Het verdelen van taken over verschillende populaties maakt complexere materiële functies mogelijk door de metabolische last te verdelen.

Naast de genoemde voorbeelden biedt de natuur een schat aan inspiratie. Spinzijde beschikt over opmerkelijke kracht en flexibiliteit, terwijl bot zelfherstellend vermogen vertoont. Onderzoekers onderzoeken hoe ze deze eigenschappen in technische materialen kunnen nabootsen. Mycelium, de wortelachtige structuur van schimmels, wordt bijvoorbeeld gebruikt om duurzame verpakkingen en bouwmaterialen te maken. Bacteriën die calciumcarbonaat kunnen produceren, worden verwerkt in zelfherstellend beton dat zijn eigen scheuren kan herstellen. Wetenschappers ontwerpen zelfs stoffen die microben bevatten die van kleur veranderen als reactie op vervuiling of temperatuur.

Bridging Worlds: de synergie van hybride materialen tussen leven en niet-leven

Hoewel ze puur uit leven bestaan, lijden de materialen die door kunstmatige organismen worden vervaardigd momenteel aan beperkingen zoals een zwakke mechanische sterkte. Om dit aan te pakken onderzoeken onderzoekers hybride systemen die levende cellen combineren met robuuste abiotische componenten, terwijl ze profiteren van productietechnieken uit de materiaalkunde. Denk bijvoorbeeld aan technieken als 3D-printen en microfluidics maken de gecontroleerde inkapseling van levende cellen in aanpasbare polymeerhydrogels mogelijk. Deze gels zorgen voor een zachte, aquatische omgeving om de levensvatbaarheid van de cellen te behouden en tegelijkertijd de fysieke kenmerken van het algehele hybride materiaal te verbeteren. In andere gevallen hebben onderzoekers functionele niet-levende componenten ingebouwd die synergiseren met het microbiële metabolisme om nieuwe materiële mogelijkheden mogelijk te maken. Voorbeelden hiervan zijn halfgeleidende nanodeeltjes die lichtenergie verzamelen voor het aandrijven van CO22-het repareren van bacteriën en elektronische sensoren die communiceren met kunstmatige genetische circuits.

Real-World toepassingen van levende materialen

De transformerende kracht van levende materialen beperkt zich niet tot laboratoriumbanken of theoretische studies; het is een realiteit die zich in diverse sectoren over de hele wereld afspeelt. Deze praktijkgerichte toepassingen laten zien hoe de innovatieve integratie van biologie met technische principes duurzame oplossingen tastbaar en toegankelijk maakt. Van gebouwen die zichzelf repareren tot textiel dat reageert op het menselijk lichaam en verpakkingsmaterialen die zijn gegroeid uit schimmelwortels: de onderstaande casestudies belichten daadwerkelijke producten en technologieën die al impact hebben. Door de kloof tussen de wijsheid van de natuur en de menselijke creativiteit te overbruggen, onderstrepen deze voorbeelden niet alleen de praktische bruikbaarheid van levende materialen, maar ook hun potentieel om industrieën aanzienlijk te veranderen, de resultaten voor het milieu te verbeteren en het dagelijks leven te verbeteren. Levende architecturale structuren De Hy-Fi installatie, gecreëerd door de architectengroep The Living, illustreert het potentieel van bio-engineered materialen in de bouw. De structuur is opgebouwd uit biologisch afbreekbare stenen gemaakt van maïsstengels en levend mycelium en laat zien hoe levende materialen kunnen worden gebruikt om duurzame, composteerbare architectonische projecten te creëren die geen concessies doen aan kracht of ontwerp, wat een verwijzing is naar de toekomst van groen bouwen. Installatieaanzicht van Hy-Fi. (Afbeelding: MoMA) Milieuvriendelijke bouwmaterialen van Mycelium Mycelium, de wortelstructuur van schimmels, loopt voorop op het gebied van duurzame materiaalinnovatie, met bedrijven als MycoWorks en Ecovatief ontwerp voorop. Deze bedrijven benutten de natuurlijke groeiprocessen van mycelium om materialen te creëren die niet alleen sterk en duurzaam zijn, maar ook volledig biologisch afbreekbaar. Door landbouwafval aan mycelium te voeren, vormen ze het om tot producten variërend van leeralternatieven tot verpakkings- en isolatiematerialen, wat een overtuigend voorbeeld is van de principes van de circulaire economie in actie. Zelfherstellend beton Basilisk zelfherstellend beton vertegenwoordigt een baanbrekende vooruitgang op het gebied van bouwmaterialen. Dit innovatieve beton bevat specifieke bacteriën die, wanneer ze worden blootgesteld aan water, worden geactiveerd om scheuren met kalksteen op te vullen, waardoor het beton in wezen geneest. Dit proces verlengt de levensduur van het materiaal aanzienlijk, verlaagt de onderhoudskosten en biedt een milieuvriendelijk alternatief door mogelijk de totale ecologische voetafdruk van de betonindustrie te verkleinen. Productie van bioplastics AirCarbon van Newlight Technologies pakt de dubbele uitdaging van plasticvervuiling en klimaatverandering aan door methaanetende bacteriën te gebruiken om een ​​biologisch afbreekbaar plastic alternatief te produceren. Dit proces haalt methaan – een krachtig broeikasgas – uit de lucht en zet het om in een materiaal dat kan worden gebruikt voor een breed scala aan producten, van modeartikelen tot voedselverpakkingen, en toont een nieuwe aanpak voor het verminderen van koolstofemissies en afval. Engineered Living-coatings Indigo Landbouw maakt gebruik van microbiële zaadcoatings om de gezondheid en opbrengst van gewassen op een duurzame manier te verbeteren. Deze coatings bevatten nuttige bacteriën die de weerbaarheid van planten tegen droogte en ongedierte verbeteren, waardoor de behoefte aan chemische meststoffen en pesticiden afneemt. Deze innovatieve aanpak ondersteunt niet alleen duurzame landbouwpraktijken, maar benadrukt ook het potentieel van levende materialen om bij te dragen aan de mondiale voedselzekerheid. Draagbare biosensoren Morphing Matter Lab is baanbrekend met bioLogic, de integratie van levende materialen in de textielindustrie met zijn responsieve stof, waarin levende cellen van nattobacteriën zijn verwerkt (Bacillus Subtilis) als een vochtgevoelige nanoactuator. De flappen van de stof gaan open en dicht als reactie op het zweet van de drager, waardoor natuurlijke ventilatie ontstaat. Deze slimme textielinnovatie opent nieuwe mogelijkheden voor draagbare technologie, waarbij comfort, functionaliteit en duurzaamheid worden gecombineerd.

[Ingesloten inhoud]

Realiseren van het duurzaamheidspotentieel van levende materialen

Voorstanders zijn van mening dat levende materialen verschillende duurzaamheidsvoordelen kunnen bieden in vergelijking met conventionele productie, waaronder:

• Gebruik van genetisch gemodificeerde microben als celfabrieken om hernieuwbare bioplastics, leervervangers en pigmenten te produceren. Dit vermindert de afhankelijkheid van petrochemische grondstoffen.
• Inzet van organismen voor actieve bioremediatie van verontreinigende stoffen en afval. Gemanipuleerde microben zijn veelbelovend in het opvangen van koolstof uit de lucht of het afbreken van plastic afval.
• Het ontwerpen van probiotische levende coatings die de houdbaarheid van voedsel verlengen en bederf en verspilling verminderen.
• Het gebruik van stikstofbindende of mineraalafzettingsbacteriën als op microben gebaseerde meststoffen voor een duurzamere landbouw, waardoor de behoefte aan synthetische meststoffen wordt verlaagd.

Hoewel levende materialen een enorme belofte inhouden, moeten er verschillende obstakels worden overwonnen voordat ze op grote schaal kunnen worden toegepast. De productiekosten overtreffen momenteel veel conventionele materialen. Het gebruik van genetisch gemodificeerde organismen leidt tot bezorgdheid over de bioveiligheid, waardoor rigoureuze inperkings- en milieurisicobeoordelingen nodig zijn. De publieke perceptie van synthetische biologie varieert, en duidelijke communicatie over de voordelen en potentiële risico's zal van cruciaal belang zijn. Ten slotte vereist het ontwikkelen van levende materialen een werkelijk interdisciplinaire aanpak, waarbij samenwerking wordt bevorderd tussen velden die traditioneel misschien niet met elkaar in wisselwerking staan. Niettemin vormen levende materialen een spannend kruispunt tussen synthetische biologie en materiaalkunde. Met de voortdurende vooruitgang op het gebied van de engineering van cellen en het beheer van microbiële gemeenschappen kunnen levende technologieën op een dag duurzame oplossingen bieden voor de productie van chemicaliën, de behandeling van afvalwater, het vastleggen van koolstof uit de lucht en nog veel meer. Maar er zullen grote vorderingen op dit gebied nodig zijn om deze futuristische visie werkelijkheid te laten worden. Concluderend vertegenwoordigen kunstmatige levende materialen een baanbrekende benadering van duurzame productie en bieden ze een overtuigend alternatief voor conventionele synthetische materialen. Door de kracht van levende organismen te benutten en deze te integreren met geavanceerde technische technieken, creëren wetenschappers en innovators materialen die opmerkelijke eigenschappen vertonen, zoals zelfassemblage, zelfgenezing en aanpassingsvermogen. Van milieuvriendelijke bouwmaterialen gekweekt uit mycelium tot zelfherstellend beton en biologisch afbreekbare kunststoffen geproduceerd door bacteriën: de toepassingen van levende materialen in de echte wereld demonstreren hun potentieel om industrieën te revolutioneren, de impact op het milieu te verminderen en ons dagelijks leven te verbeteren. Naarmate het veld zich blijft ontwikkelen, met de vooruitgang in de synthetische biologie en interdisciplinaire samenwerkingen, staan ​​levende materialen klaar om een ​​cruciale rol te spelen bij het vormgeven van een duurzamere toekomst. Om dit potentieel te realiseren, moeten echter uitdagingen worden aangepakt, zoals de productiekosten, zorgen over de bioveiligheid en de publieke perceptie. Niettemin valt de belofte van levende materialen niet te ontkennen, en de ontwikkeling ervan vertegenwoordigt een opwindende grens in de zoektocht naar innovatieve oplossingen voor mondiale duurzaamheidsproblemen.

Ontdek meer: ​​een toegangspoort tot de toekomst van levende materialen

Levende hydrogelvezels onthullen een nieuw tijdperk van duurzame technische materialen Ontworpen om zich aan te passen: Levende materialen zijn de toekomst van duurzaam bouwen 3D-geprint ‘levend materiaal’ zou verontreinigd water kunnen opruimen (met video) Levende structurele materialen kunnen nieuwe horizonten openen voor ingenieurs en architecten Engineering van levende hydrogels Onderzoekers kweken modulaire materialen op macroschaal van bacteriën Levende bacteriën gebruiken om zelfgroeiende technische materialen te ontwerpen

By

Michael
Berger

– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©

Nanowerk LLC

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64949.php