工程师创造“生活材料” –受用于制作康普茶的共生文化的启发

工程师们已经开发出一种新的方式来生产坚韧的，功能性的材料，这种材料使用细菌和酵母的混合物来制造类似于发酵茶的“ kombucha母亲”。

专门的酵母菌和细菌的共生培养物可以产生能够执行多种功能的坚硬物质。

麻省理工学院和伦敦帝国理工学院的工程师们已经开发出一种新的方法，可以使用类似于细菌发酵的“ kombucha母亲”的细菌和酵母的混合物来生产坚韧的功能性材料。

使用这种混合物，也称为SCOBY（细菌和酵母的共生培养物），研究人员能够生产出内含酶的纤维素，这些酶可以执行多种功能，例如感测环境污染物。他们还表明，他们可以将酵母菌直接掺入材料中，从而形成可以用于净化水或制造可以检测破损的“智能”包装材料的“生活材料”。

麻省理工学院电气工程，计算机科学和生物工程学副教授蒂莫西·卢（Timothy Lu）说：“我们预见了未来的未来，人们可以使用生物学而不是资源密集型的集中制造技术来在家中或本地生产设施中种植这种材料。”

该论文的高级作者陆和伦敦帝国理工学院生物工程学教授汤姆·埃利斯（Tom Ellis）是该论文的高级作者，该论文于2021年1月11日发表在《自然材料》上。该论文的主要作者是麻省理工学院的研究生Tzu-Chieh Tang和剑桥大学的博士后查理·吉尔伯特（Charlie Gilbert）。

分工

几年前，卢（Lu）的实验室开发了一种利用大肠杆菌生成嵌入有金纳米线等材料的生物膜的方法。然而，这些膜非常小且薄，使得它们难以在大多数大规模应用中使用。在这项新研究中，研究人员着手寻找一种利用微生物产生大量更大量物质的方法。

他们想到要建立一个类似于康普茶母亲的微生物种群，后者是某些细菌和酵母菌的混合物。这些通常含有一种细菌和一种或多种酵母的发酵工厂生产乙醇，纤维素和乙酸，从而使康普茶具有独特的风味。

麻省理工学院的工程师们使用类似于康普茶中发现的细菌和酵母菌，可以创造“生物材料”。

用于发酵的大多数野生酵母菌株很难进行基因改造，因此研究人员用实验室酿酒酵母菌株代替了它们。他们将酵母菌与一种叫做Komagataeibacter rhaeticus的细菌结合在一起，他们在伦敦帝国理工学院的合作者以前是从康普茶母亲那里分离出来的。该种类可以产生大量的纤维素。

因为研究人员使用的是实验室酵母菌，所以他们可以对细胞进行改造，使其能够做实验室酵母菌可以做的任何事情，例如，产生在黑暗中发光的酶或感知环境中的污染物。还可以对酵母进行编程，以便它们可以在检测到污染物后将其分解。

研究人员提起他们的材料，一种坚韧的纤维素，可以嵌入酶或活细胞中。

同时，培养物中的细菌产生大量坚韧的纤维素以用作支架。研究人员设计了他们的系统，以便他们可以控制是否将酵母本身或仅产生的酶掺入纤维素结构中。仅需几天时间即可生长该材料，如果放置足够长的时间，它可以变厚以占据与浴缸一样大的空间。

“我们认为这是一个很好的系统，非常便宜，而且非常容易大量制造，” Tang说。“它的材料至少是大肠杆菌系统的一千倍。”

只要加茶

为了证明他们称之为“ Syn-SCOBY”的微生物培养潜能，研究人员创造了一种结合了能感知雌二醇的酵母的材料，该雌二醇有时被发现为环境污染物。在另一个版本中，他们使用了一种酵母菌株，当暴露于蓝光时会产生一种发光蛋白，称为荧光素酶。这些酵母可以换成其他可以检测其他污染物，金属或病原体的菌株。

该培养物可以在正常的酵母培养基中生长，研究人员将其用于大多数研究中，但是他们也证明了它可以在含糖的茶中生长。研究人员预想，可以对文化进行定制，以供人们在家中用于种植滤水器或其他有用的材料。

“几乎每个人都可以在厨房或家里做到这一点，”唐说。“您不必是专家。您只需要糖，就需要茶来提供营养，还需要一块Syn-SCOBY妈妈。”

参考：Charlie Gilbert，Tzu-Chieh Tang，Wolfgang Ott，Brandon A.Dorr，William M.Shaw，George L.Sun，Timothy K.Lu和Tom Ellis撰写的“从工程微生物共培养物中获得的具有可编程功能的生活材料” 2021年1月，《自然材料》 .DOI：
10.1038 / s41563-020-00857-5

该研究部分由美国陆军研究办公室，麻省理工学院士兵纳米技术研究所和麻省理工学院-MISTI麻省理工学院-帝国理工学院伦敦种子基金资助。唐获得了麻省理工学院J-WAFS奖学金的支持。