01 april 2024 (Nanowerk Spotlight) Inför växande miljöutmaningar söker forskare över hela världen hållbara lösningar. Att konstruera levande material – kompositer som innehåller levande organismer – erbjuder stora löften genom att minska vårt beroende av material som härrör från fossila bränslen och utnyttja de unika egenskaperna hos levande system.

Revolutionerande materialvetenskap med levande organismer

Levande material hämtar inspiration från den naturliga världen, där växter, djur och mikrober rutinmässigt tillverkar funktionella material som en del av deras normala fysiologi. Till exempel producerar träd träig vävnad som består av styva cellulosafibrer som hålls samman av lignin "lim", medan havsmusslor utsöndrar undervattenslim, och vissa bakterier genererar elektricitet. Dessa levande system uppvisar distinkta förmågor såsom självmontering, självläkning, lyhördhet och biosyntes som är svåra att uppnå med syntetiska material. Området syntetisk biologi erbjuder verktyg för att omprogrammera organismer på genetisk nivå, vilket gör det möjligt för forskare att konstruera levande material med skräddarsydda egenskaper. Genom att introducera artificiella genkretsar kan mikrober designas för att känna av signaler från omgivningen och tillverka användardefinierade produkter därefter. Materialforskare undersöker också hur man kan integrera levande komponenter med icke-levande strukturer som hydrogeler och elektroniska enheter. De resulterande "hybrid levande materialen" syftar till att förstärka funktionaliteten hos organismer med robustheten och tillverkningsbarheten hos syntetiska komponenter. Flera startups kommersialiserar nu materialteknologier för tidiga levande, men de fortsätter att drabbas av utmaningar som höga produktionskostnader och sämre mekanisk styrka jämfört med konventionella material. Men om dessa hinder kan övervinnas kan levande material en dag ersätta ohållbara konventionella material i applikationer som sträcker sig från förpackningar till infrastrukturkonstruktion.

[Inbäddat innehåll]

Att lära av naturen: Evolutionära mästerverk i materialdesign

Levande organismer producerar naturligt en fantastisk mängd funktionella material med hjälp av proteiner, polysackarider och mineraler. Träväxter biosyntetiserar till exempel lignin, cellulosa och hemicellulosa för att bygga robusta trädstammar, medan havsmusslor utsöndrar undervattensadhesiva proteiner för att fästa på ytor. Mest spännande är att dessa levande material uppvisar dynamiska egenskaper som syntetiska motsvarigheter saknar, såsom förmågan att självmontera, självläka efter skada, anpassa sig till miljöstimulans och genomgå kontinuerlig självförnyelse. Området för bioinspirerade material syftar till att efterlikna sådana naturliga strukturer, men att replikera deras levande egenskaper är fortfarande utmanande. Nu är ett framväxande tillvägagångssätt att konstruera själva organismerna för att fungera som mikrobiella "fabriker" för att producera funktionella material. Som experter på biokemisk syntes efter miljarder år av evolution erbjuder levande celler potentiellt ett hållbart sätt att tillverka en enorm mångfald av skräddarsydda biopolymerer. Forskare kategoriserar levande materialsystem baserat på deras design:

• Självorganiserande levande material: Byggd enbart av levande komponenter som manipulerade bakterier, svampar eller däggdjursceller. De syftar till att rekapitulera naturlig självmontering och miljövänliga beteenden.
• Hybrid levande material: Slå samman levande komponenter med abiotiska ställningar som hydrogeler och elektroniska enheter. De icke-levande delarna förbättrar tillverkningsbarheten och förstärker funktionaliteten hos inbäddade organismer.

Adidas konceptsko, Stan Smith Mylo™, använder svamphärledda material. (Bild: Adidas)

Programmering av levande material med hjälp av syntetisk biologi

Det unga området syntetisk biologi tillhandahåller en verktygslåda för att genetiskt omprogrammera organismer med hjälp av principer om modularitet, standardisering och modellering. Genom att använda bibliotek av välkarakteriserade DNA-delar som kodar för grundläggande genetiska funktioner, kan syntetiska biologer introducera artificiella genkretsar för att ge celler datorliknande kapacitet. Till exempel tillåter konstruerade gennätverk mikrober att känna av kemiska signaler, utföra logiska beräkningar eller synkronisera sina beteenden över populationer. Genom att utnyttja syntetisk biologi undersöker forskare olika strategier för att utveckla självorganiserande levande material med programmerade funktioner:

• Anpassa materialbyggstenar: Cellutsöndrade proteiner eller polysackarider kan funktionaliseras genom att fusionera dem med peptider eller proteiner med hjälp av rekombinant DNA-teknik. Till exempel, E.coli biofilmmatrisproteiner har modifierats för att möjliggöra absorption av tungmetaller och vidhäftning under vatten.
• Designa stimulus-responsiva genkretsar: Genom att introducera kretsar som upptäcker signaler som gifter, ljus eller elektriska fält kan levande material känna av och reagera på miljöer dynamiskt.
• Engineering cell-cell kommunikation: Inkorporering av kommunikationsmoduler såsom kvorumavkänning gör det möjligt för populationer av konstruerade celler att kollektivt självreglera materialtillverkning och prestanda.
• Konstruera konstgjorda mikrobiella konsortier: Att dela upp uppgifter mellan olika populationer möjliggör mer komplexa materiella funktioner genom att fördela metabolisk börda.

Utöver de nämnda exemplen ger naturen en skattkammare av inspiration. Spindelsilke ståtar med enastående styrka och flexibilitet, medan ben uppvisar självregenererande förmåga. Forskare undersöker hur man efterliknar dessa egenskaper i konstruerade material. Till exempel används mycel, den rotliknande strukturen hos svampar, för att skapa hållbara förpackningar och byggmaterial. Bakterier som kan producera kalciumkarbonat införlivas i självläkande betong som kan reparera sina egna sprickor. Forskare designar till och med tyger som innehåller mikrober som ändrar färg som svar på föroreningar eller temperatur.

Överbrygga världar: Synergin mellan levande och icke-levande hybridmaterial

Även om de består av rent liv, lider de material som tillverkas av konstruerade organismer för närvarande av begränsningar som svag mekanisk styrka. För att ta itu med detta undersöker forskare hybridsystem som kombinerar levande celler med robusta abiotiska komponenter samtidigt som de drar fördel av tillverkningstekniker från materialvetenskap. Till exempel tekniker som 3D-utskrift och mikrofluidik möjliggör kontrollerad inkapsling av levande celler i anpassningsbara polymerhydrogeler. Dessa geler ger en mjuk, vattenmiljö för att bibehålla cellviabiliteten samtidigt som de förbättrar de fysiska egenskaperna hos det övergripande hybridmaterialet. I andra fall har forskare införlivat funktionella icke-levande komponenter som samverkar med mikrobiell metabolism för att möjliggöra nya materialegenskaper. Exempel inkluderar halvledande nanopartiklar som samlar ljusenergi för att driva CO2-fixering av bakterier och elektroniska sensorer som samverkar med konstruerade genetiska kretsar.

Verkliga tillämpningar av levande material

Den transformativa kraften hos levande material är inte begränsad till laboratoriebänkar eller teoretiska studier; det är en verklighet som utspelar sig i olika sektorer runt om i världen. Dessa verkliga tillämpningar visar hur den innovativa integrationen av biologi med tekniska principer gör hållbara lösningar påtagliga och tillgängliga. Från byggnader som reparerar sig själva till textilier som reagerar på människokroppen och förpackningsmaterial som odlats från svamprötter, fallstudierna nedan belyser faktiska produkter och teknologier som redan har inverkan. Genom att överbrygga klyftan mellan naturens visdom och mänsklig kreativitet understryker dessa exempel inte bara det praktiska med levande material utan också deras potential att avsevärt förändra industrier, förbättra miljöresultat och förbättra det dagliga livet. Levande arkitektoniska strukturer Smakämnen Hy-Fi installation, skapad av arkitektgruppen The Living, exemplifierar potentialen hos biotekniska material i konstruktion. Byggd av biologiskt nedbrytbara tegelstenar gjorda av majsstjälkar och levande mycel, visar strukturen hur levande material kan användas för att skapa hållbara, komposterbara arkitektoniska projekt som inte kompromissar med styrka eller design, vilket antyder framtiden för grönt bygge. Installationsvy av Hy-Fi. (Bild: MoMA) Miljövänliga byggmaterial från Mycelium Mycel, rotstrukturen hos svampar, ligger i framkant av hållbar materialinnovation, med företag som MycoWorks och Ekovativ design leder vägen. Dessa företag utnyttjar mycelets naturliga tillväxtprocesser för att skapa material som inte bara är starka och hållbara utan också helt biologiskt nedbrytbara. Genom att mata jordbruksavfall till mycel, formar de det till produkter som sträcker sig från läderalternativ till förpackningar och isoleringsmaterial, vilket erbjuder ett övertygande exempel på principer för cirkulär ekonomi i praktiken. Självläkande betong Basilisk självläkande betong representerar ett banbrytande framsteg inom byggmaterial. Denna innovativa betong innehåller specifika bakterier som, när de utsätts för vatten, aktiveras för att fylla sprickor med kalksten, vilket i huvudsak läker betongen. Denna process förlänger materialets livslängd avsevärt, minskar underhållskostnaderna och erbjuder ett miljövänligt alternativ genom att potentiellt sänka betongindustrins totala koldioxidavtryck. Bioplastproduktion Newlight Technologies AirCarbon tacklar de dubbla utmaningarna med plastföroreningar och klimatförändringar genom att använda metanätande bakterier för att producera ett biologiskt nedbrytbart plastalternativ. Denna process fångar upp metan – en potent växthusgas – från luften och omvandlar den till ett material som kan användas för ett brett utbud av produkter, från modeartiklar till livsmedelsförpackningar, vilket visar upp en ny metod för att minska koldioxidutsläpp och avfall. Konstruerade Living Coatings Indigo Jordbruk använder mikrobiella fröbeläggningar för att förbättra grödans hälsa och skörd på ett hållbart sätt. Dessa beläggningar innehåller nyttiga bakterier som förbättrar växternas motståndskraft mot torka och skadedjur, vilket minskar behovet av kemiska gödningsmedel och bekämpningsmedel. Detta innovativa tillvägagångssätt stöder inte bara hållbara jordbruksmetoder utan lyfter också fram potentialen för levande material att bidra till global livsmedelssäkerhet. Bärbara biosensorer Morphing Matter Lab är banbrytande bioLogic, integrationen av levande material i textilindustrin med dess responsiva tyg, som innehåller levande celler av natto-bakterier (Bacillus Subtilis) som en fuktkänslig nanoaktuator. Tygets flikar öppnas och stängs som svar på bärarens svett, vilket ger naturlig ventilation. Denna smarta textilinnovation öppnar nya möjligheter för bärbar teknologi, som kombinerar komfort, funktionalitet och hållbarhet.

[Inbäddat innehåll]

Förverkliga hållbarhetspotentialen hos levande material

Förespråkarna tror att levande material kan erbjuda flera hållbarhetsfördelar jämfört med konventionell tillverkning, inklusive:

• Använder genetiskt modifierade mikrober som cellfabriker för att producera förnybara bioplaster, läderersättningar och pigment. Detta minskar beroendet av petrokemiska råvaror.
• Användning av organismer för aktiv biosanering av föroreningar och avfall. Konstruerade mikrober visar löfte för att fånga upp kol från luften eller förnedra plastavfall.
• Designa probiotiska levande beläggningar som förlänger livsmedels hållbarhet, vilket minskar förstörelse och avfall.
• Att använda kvävefixerande eller mineralavsättande bakterier som mikrobbaserade gödselmedel för ett mer hållbart jordbruk, vilket sänker kraven på syntetiska gödselmedel.

Även om levande material har enorma löften, måste flera hinder åtgärdas innan de blir allmänt utbredda. Produktionskostnaderna överstiger för närvarande många konventionella material. Användningen av genetiskt modifierade organismer väcker biosäkerhetsproblem, vilket kräver rigorösa inneslutnings- och miljöriskbedömningar. Allmänhetens uppfattning om syntetisk biologi varierar, och tydlig kommunikation om fördelarna och potentiella riskerna kommer att vara avgörande. Slutligen kräver ingenjörsmaterial ett verkligt tvärvetenskapligt tillvägagångssätt, som främjar samarbeten mellan fält som kanske inte traditionellt samverkar. Icke desto mindre representerar levande material en spännande skärningspunkt mellan syntetisk biologi och materialvetenskap. Med fortsatta framsteg inom konstruktion av celler och hantering av mikrobiella samhällen kan levande teknologier en dag ge hållbara lösningar för tillverkning av kemikalier, behandling av avloppsvatten, bindning av kol från luften och mycket mer. Men stora framsteg på området kommer att krävas för att denna futuristiska vision ska bli verklighet. Sammanfattningsvis representerar konstruerade levande material en banbrytande strategi för hållbar tillverkning, och erbjuder ett övertygande alternativ till konventionella syntetiska material. Genom att utnyttja kraften hos levande organismer och integrera dem med avancerad ingenjörsteknik skapar forskare och innovatörer material som uppvisar anmärkningsvärda egenskaper som självmontering, självläkning och anpassningsförmåga. Från miljövänliga byggmaterial odlade från mycel till självläkande betong och biologiskt nedbrytbar plast som produceras av bakterier, de verkliga tillämpningarna av levande material visar deras potential att revolutionera industrier, minska miljöpåverkan och förbättra våra dagliga liv. När området fortsätter att utvecklas, med framsteg inom syntetisk biologi och tvärvetenskapliga samarbeten, är levande material redo att spela en avgörande roll för att forma en mer hållbar framtid. För att förverkliga denna potential kommer det dock att krävas att man tar itu med utmaningar som produktionskostnader, biosäkerhetsproblem och allmänhetens uppfattning. Ändå är löftet om levande material obestridligt, och deras utveckling representerar en spännande frontlinje i jakten på innovativa lösningar på globala hållbarhetsutmaningar.

Utforska mer: A Gateway to the Future of Living Materials

Levande hydrogelfibrer avslöjar en ny era av hållbara tekniska material Designad för att anpassa sig: Levande material är framtiden för hållbart byggande 3D-printat "levande material" kan rensa upp förorenat vatten (med video) Levande strukturella material kan öppna nya horisonter för ingenjörer och arkitekter Konstruera levande hydrogeler Forskare odlar makroskala, modulära material från bakterier Använda levande bakterier för att designa självväxande tekniska material

By

Michael
Berger

– Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright ©

Nanowerk LLC

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64949.php