01 апреля 2024 г. (Nanowerk В центре внимания) Столкнувшись с растущими экологическими проблемами, ученые всего мира ищут устойчивые решения. Создание живых материалов – композитов, включающих живые организмы – открывает большие перспективы, уменьшая нашу зависимость от материалов, полученных из ископаемого топлива, и используя уникальные свойства живых систем.

Революция в материаловедении с помощью живых организмов

Живые материалы черпают вдохновение из мира природы, где растения, животные и микробы регулярно производят функциональные материалы в рамках своей нормальной физиологии. Например, деревья производят древесную ткань, состоящую из жестких целлюлозных волокон, скрепленных лигниновым «клеем», морские мидии выделяют подводные клеящие вещества, а некоторые бактерии генерируют электричество. Эти живые системы обладают такими отличительными способностями, как самосборка, самовосстановление, отзывчивость и биосинтез, которых трудно достичь с помощью синтетических материалов. Область синтетической биологии предлагает инструменты для перепрограммирования организмов на генетическом уровне, что позволяет ученым создавать живые материалы с индивидуальными свойствами. Внедряя искусственные генные схемы, микробы могут быть спроектированы так, чтобы воспринимать сигналы из окружающей среды и соответственно производить определяемые пользователем продукты. Ученые-материаловеды также изучают способы интеграции живых компонентов с неживыми структурами, такими как гидрогели и электронные устройства. Полученные в результате «гибридные живые материалы» призваны расширить функциональность организмов за счет прочности и технологичности синтетических компонентов. Несколько стартапов в настоящее время коммерциализируют технологии ранних живых материалов, но они по-прежнему сталкиваются с такими проблемами, как высокие производственные затраты и низкая механическая прочность по сравнению с традиционными материалами. Однако, если эти препятствия удастся преодолеть, живые материалы однажды смогут заменить неустойчивые традиционные материалы в самых разных областях применения — от упаковки до строительства инфраструктуры.

[Встраиваемое содержимое]

Учимся у природы: эволюционные шедевры материального дизайна

Живые организмы естественным образом производят удивительное множество функциональных материалов, используя белки, полисахариды и минералы. Например, древесные растения биосинтезируют лигнин, целлюлозу и гемицеллюлозу, чтобы построить прочные стволы деревьев, а морские мидии выделяют подводные клейкие белки для прикрепления к поверхностям. Самое интригующее, что эти живые материалы обладают динамическими свойствами, которых нет у синтетических аналогов, такими как способность самособираться, самовосстанавливаться после травм, адаптироваться к воздействиям окружающей среды и подвергаться постоянному самообновлению. Область биоинспирированных материалов стремится имитировать такие природные структуры, но воспроизведение их живых свойств остается сложной задачей. Теперь новый подход заключается в том, чтобы сконструировать сами организмы, чтобы они служили микробными «фабриками» по производству функциональных материалов. Будучи экспертами в области биохимического синтеза после миллиардов лет эволюции, живые клетки потенциально предлагают устойчивый способ производства огромного разнообразия индивидуальных биополимеров. Исследователи классифицируют системы живого материала в зависимости от их конструкции:

• Самоорганизующиеся живые материалы: Создан исключительно из живых компонентов, таких как искусственно созданные бактерии, грибы или клетки млекопитающих. Они стремятся воспроизвести естественную самосборку и экологически ответственное поведение.
• Гибридные живые материалы: Объедините живые компоненты с абиотическими каркасами, такими как гидрогели и электронные устройства. Неживые части повышают технологичность и расширяют функциональность встроенных организмов.

Концептуальная обувь Adidas Stan Smith Mylo™ изготовлена ​​из материалов, полученных из грибов. (Изображение: Адидас)

Программирование живых материалов с помощью синтетической биологии

Молодая область синтетической биологии предоставляет набор инструментов для генетического перепрограммирования организмов с использованием принципов модульности, стандартизации и моделирования. Используя библиотеки хорошо изученных частей ДНК, которые кодируют основные генетические функции, синтетические биологи могут создать искусственные генные схемы, чтобы придать клеткам возможности, подобные компьютерным. Например, сконструированные генные сети позволяют микробам воспринимать химические сигналы, выполнять логические вычисления или синхронизировать свое поведение в разных популяциях. Используя синтетическую биологию, исследователи изучают различные стратегии разработки самоорганизующихся живых материалов с запрограммированными функциями:

• Настройка строительных блоков материалов: Секретируемые клетками белки или полисахариды можно функционализировать путем их слияния с пептидами или белками с использованием технологии рекомбинантной ДНК. Например, E. палочки Матричные белки биопленки были модифицированы, чтобы обеспечить поглощение тяжелых металлов и адгезию под водой.
• Проектирование генных цепей, реагирующих на стимулы: Внедрение схем, которые обнаруживают такие сигналы, как токсины, свет или электрические поля, позволяет живым материалам чувствовать окружающую среду и динамически реагировать на нее.
• Инженерная сотовая связь: Включение коммуникационных модулей, таких как определение кворума, позволяет популяциям сконструированных клеток коллективно саморегулировать производство и производительность материалов.
• Создание искусственных микробных консорциумов: Разделение задач между разными группами населения позволяет выполнять более сложные материальные функции за счет распределения метаболической нагрузки.

Помимо упомянутых примеров, природа является сокровищницей вдохновения. Паучий шелк обладает удивительной прочностью и гибкостью, а кости обладают способностью к самовосстановлению. Исследователи изучают, как имитировать эти свойства в инженерных материалах. Например, мицелий, корневая структура грибов, используется для создания экологически чистой упаковки и строительных материалов. Бактерии, способные производить карбонат кальция, встраиваются в самовосстанавливающийся бетон, способный восстанавливать собственные трещины. Ученые даже разрабатывают ткани, содержащие микробы, которые меняют цвет в ответ на загрязнение или температуру.

Соединяя миры: синергия живых и неживых гибридных материалов

Хотя материалы, изготовленные искусственными организмами, состоят исключительно из жизни, в настоящее время они страдают от таких ограничений, как слабая механическая прочность. Чтобы решить эту проблему, исследователи изучают гибридные системы, которые сочетают в себе живые клетки с надежными абиотическими компонентами, используя при этом преимущества производственных технологий из материаловедения. Например, такие методы, как 3D-печать и микрофлюидики позволяют контролируемую инкапсуляцию живых клеток в настраиваемые полимерные гидрогели. Эти гели создают мягкую водную среду для поддержания жизнеспособности клеток и одновременного улучшения физических характеристик всего гибридного материала. В других случаях исследователи включили функциональные неживые компоненты, которые взаимодействуют с микробным метаболизмом, открывая новые возможности материала. Примеры включают полупроводниковые наночастицы, которые собирают световую энергию для питания CO.2- исправление бактерий и электронных датчиков, которые взаимодействуют с созданными генетическими цепями.

Реальное применение живых материалов

Преобразующая сила живых материалов не ограничивается лабораторными столами или теоретическими исследованиями; это реальность, которая разворачивается в различных секторах по всему миру. Эти реальные приложения демонстрируют, как инновационная интеграция биологии с инженерными принципами делает устойчивые решения осязаемыми и доступными. От зданий, которые самовосстанавливаются, до текстиля, который реагирует на человеческое тело, и упаковочных материалов, выращенных из корней грибов, приведенные ниже тематические исследования демонстрируют реальные продукты и технологии, которые уже оказывают влияние. Преодолевая разрыв между мудростью природы и творческим потенциалом человека, эти примеры не только подчеркивают практичность живых материалов, но и их потенциал существенно изменить промышленность, улучшить экологические показатели и улучшить повседневную жизнь. Живые архитектурные конструкции Ассоциация Установка Хай-Фай, созданный архитектурной группой The Living, иллюстрирует потенциал биоинженерных материалов в строительстве. Построенная из биоразлагаемых кирпичей, изготовленных из стеблей кукурузы и живого мицелия, эта структура демонстрирует, как можно использовать живые материалы для создания устойчивых, компостируемых архитектурных проектов, которые не ставят под угрозу прочность или дизайн, намекая на будущее зеленого строительства. Вид установки Hy-Fi. (Изображение: МоМА) Экологичные строительные материалы из мицелия Мицелий, корневая структура грибов, находится на переднем крае инноваций в области устойчивых материалов, благодаря таким компаниям, как MycoWorks и Эковативный дизайн прокладывая путь. Эти фирмы используют естественные процессы роста мицелия для создания материалов, которые не только прочны и долговечны, но и полностью биоразлагаемы. Скармливая мицелию сельскохозяйственные отходы, они превращают его в продукты, начиная от альтернатив кожи и заканчивая упаковочными и изоляционными материалами, предлагая убедительный пример принципов экономики замкнутого цикла в действии. Самовосстанавливающийся бетон Самовосстанавливающийся бетон «Василиск» представляет собой революционный прогресс в области строительных материалов. Этот инновационный бетон содержит особые бактерии, которые при воздействии воды активируются, заполняя трещины известняком, по существу восстанавливая бетон. Этот процесс значительно продлевает срок службы материала, снижает затраты на техническое обслуживание и предлагает экологически чистую альтернативу, потенциально снижая общий углеродный след бетонной промышленности. Производство биопластиков AirCarbon компании Newlight Technologies решает двойную проблему загрязнения пластиком и изменения климата, используя бактерии, питающиеся метаном, для производства биоразлагаемой альтернативы пластику. Этот процесс улавливает метан — мощный парниковый газ — из воздуха и превращает его в материал, который можно использовать для производства широкого спектра продуктов — от модных товаров до упаковки пищевых продуктов, демонстрируя новый подход к сокращению выбросов углекислого газа и отходов. Инженерные живые покрытия Индиго Сельское хозяйство использует микробное покрытие семян для улучшения здоровья сельскохозяйственных культур и повышения урожайности на устойчивой основе. Эти покрытия содержат полезные бактерии, которые повышают устойчивость растений к засухе и вредителям, снижая потребность в химических удобрениях и пестицидах. Этот инновационный подход не только поддерживает методы устойчивого ведения сельского хозяйства, но и подчеркивает потенциал живых материалов, которые могут внести вклад в глобальную продовольственную безопасность. Носимые биосенсоры Лаборатория морфинга материи является пионером в области bioLogic, интеграции живых материалов в текстильную промышленность с помощью своей адаптивной ткани, включающей живые клетки бактерий натто (Bacillus Subtilis) как чувствительный к влажности наноактуатор. Клапаны ткани открываются и закрываются в зависимости от пота пользователя, обеспечивая естественную вентиляцию. Эта умная текстильная инновация открывает новые возможности для носимых технологий, сочетая в себе комфорт, функциональность и экологичность.

[Встраиваемое содержимое]

Реализация потенциала устойчивости живых материалов

Сторонники считают, что живые материалы могут предложить несколько преимуществ устойчивого развития по сравнению с традиционным производством, в том числе:

• Использование генетически модифицированных микробов в качестве клеточных фабрик для производства возобновляемых биопластиков, заменителей кожи и пигментов. Это снижает зависимость от нефтехимического сырья.
• Использование организмов для активной биоремедиации загрязняющих веществ и отходов. Созданные микробы обещают улавливать углерод из воздуха или разлагать пластиковые отходы.
• Разработка пробиотических живых покрытий, которые продлевают срок хранения пищевых продуктов, уменьшая порчу и количество отходов.
• Использование азотфиксирующих или минералооткладывающих бактерий в качестве микробных удобрений для более устойчивого сельского хозяйства и снижения потребности в синтетических удобрениях.

Хотя живые материалы открывают огромные перспективы, перед их широким распространением необходимо преодолеть несколько препятствий. Себестоимость производства в настоящее время превышает стоимость многих традиционных материалов. Использование генетически модифицированных организмов вызывает обеспокоенность по поводу биобезопасности, требуя строгого сдерживания и оценки экологических рисков. Общественное восприятие синтетической биологии различается, и четкое информирование о преимуществах и потенциальных рисках будет иметь решающее значение. Наконец, разработка живых материалов требует действительно междисциплинарного подхода, способствующего сотрудничеству между областями, которые традиционно не взаимодействуют. Тем не менее, живые материалы представляют собой захватывающее пересечение синтетической биологии и материаловедения. Благодаря продолжающемуся прогрессу в конструировании клеток и управлении микробными сообществами живые технологии однажды могут обеспечить устойчивые решения для производства химикатов, очистки сточных вод, улавливания углерода из воздуха и многого другого. Но для того, чтобы воплотить эту футуристическую концепцию в реальность, потребуются значительные достижения в этой области. В заключение, инженерные живые материалы представляют собой новаторский подход к устойчивому производству, предлагая убедительную альтернативу обычным синтетическим материалам. Используя возможности живых организмов и объединяя их с передовыми инженерными технологиями, ученые и новаторы создают материалы, обладающие замечательными свойствами, такими как самосборка, самовосстановление и адаптируемость. От экологически чистых строительных материалов, выращенных из мицелия, до самовосстанавливающегося бетона и биоразлагаемых пластиков, производимых бактериями, — реальное применение живых материалов демонстрирует свой потенциал, способный произвести революцию в промышленности, уменьшить воздействие на окружающую среду и улучшить нашу повседневную жизнь. Поскольку эта область продолжает развиваться, благодаря достижениям в области синтетической биологии и междисциплинарному сотрудничеству, живые материалы могут сыграть решающую роль в формировании более устойчивого будущего. Однако реализация этого потенциала потребует решения таких проблем, как производственные затраты, проблемы биобезопасности и общественное мнение. Тем не менее, перспективность живых материалов неоспорима, и их разработка представляет собой захватывающий рубеж в поисках инновационных решений глобальных проблем устойчивого развития.

Узнайте больше: Ворота в будущее живых материалов

Живые гидрогелевые волокна открывают новую эру экологически чистых материалов Создан для адаптации: живые материалы – это будущее устойчивого строительства «Живой материал», напечатанный на 3D-принтере, может очистить загрязненную воду (с видео) Живые конструкционные материалы могут открыть новые горизонты для инженеров и архитекторов Инженерные живые гидрогели Исследователи выращивают макромасштабные модульные материалы из бактерий Использование живых бактерий для создания саморастущих инженерных материалов

By

Майкл
Бергер

- Майкл является автором трех книг Королевского химического общества:
Нано-общество: раздвигая границы технологий,
Нанотехнология: будущее крошечнои
Наноинженерия: навыки и инструменты, делающие технологию невидимой
Все права защищены ©

ООО «Нановерк»

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64949.php