Дослідники з Каліфорнійського університету Сан-Дієго розробили новий тип матеріалу, який може запропонувати стійке та екологічно чисте рішення для очищення води від забруднюючих речовин.
Названий «інженерним живим матеріалом», він є надрукованою на 3D-принтері структурою, що складається з полімеру на основі морських водоростей у поєднанні з бактеріями, які були генетично модифіковані для виробництва ферменту, що перетворює різні органічні забруднювачі на безпечні молекули. Бактерії також були створені так, щоб самознищуватись у присутності молекули під назвою теофілін, яка часто міститься в чаї та шоколаді. Це дозволяє усунути їх після того, як вони виконали свою роботу.
Дослідники описують новий дезактивуючий матеріал у статті, опублікованій у журналі Nature Communications.
“Що є інноваційним, так це поєднання полімерного матеріалу з біологічною системою для створення живого матеріалу, який може функціонувати і реагувати на подразники так, як не можуть звичайні синтетичні матеріали”, – сказав Джон Покорскі, професор геоінженерії в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго, співавтор дослідження. керував дослідженням.
Робота була результатом співпраці інженерів, вчених-матеріалознавців та біологів із Центру досліджень матеріалів та інженерії матеріалів Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (MRSEC). До керівників багатопрофільної групи входять професори молекулярної біології Сьюзан Голден і Джеймс Голден, а також професор геоінженерії Шаочен Чен.
“Ця співпраця дозволила нам застосувати наші знання в галузі генетики та фізіології ціанобактерій для створення живого матеріалу”, – сказала Сьюзен Голден, викладач Школи біологічних наук. “Тепер ми можемо творчо підходити до розробки нових функцій ціанобактерій, щоб виробляти більш корисні продукти”.
Щоб створити живий матеріал у цьому дослідженні, дослідники використовували альгінат, природний полімер, отриманий з морських водоростей, гідратували його, щоб вийшов гель, і змішували його з типом фотосинтезуючих бактерій, що живуть у воді, відомих як ціанобактерії.
Суміш була подана у 3D-принтер. Після тестування різних геометричних форм матеріалу, надрукованих на 3D-принтері, дослідники виявили, що гратчаста структура є оптимальною для підтримки життя бактерій. Вибрана форма має високе співвідношення площі поверхні до обсягу, що дозволяє більшості ціанобактерій розташовуватися поблизу поверхні матеріалу, забезпечуючи доступ до поживних речовин, газів та світла.
Збільшена площа поверхні робить матеріал більш ефективним при знезараженні.
Як експеримент, що підтверджує концепцію, дослідники генетично модифікували ціанобактерії у своєму матеріалі, щоб вони постійно виробляли знезаражуючий фермент, званий лакказою. Дослідження показали, що лакказ можна використовувати для нейтралізації різних органічних забруднювачів, включаючи бісфенол А (BPA), антибіотики, фармацевтичні препарати та барвники.
У цьому дослідженні дослідники продемонстрували, що їх матеріал можна використовувати для знезараження забруднюючої речовини на основі барвника індигокарміну, який є синім барвником, який широко використовується в текстильній промисловості для фарбування джинсів. В ході випробувань матеріал знебарвлював водний розчин, що містить барвник.
Дослідники також розробили спосіб знищення ціанобактерій після видалення забруднюючих речовин. Вони генетично модифікували бактерії так, щоб вони реагували на молекулу під назвою теофілін. Молекула змушує бактерії виробляти білок, який руйнує їхні клітини.
«Живий матеріал може впливати на забруднювач, що цікавить, а потім можна додати невелику молекулу, щоб убити бактерії», — сказав Покорський. «Таким чином, ми можемо зняти будь-які побоювання щодо збереження генетично модифікованих бактерій у навколишньому середовищі».
Переважним рішенням, зазначають дослідники, є знищення бактерій без додавання хімікатів. Це буде одним із майбутніх напрямків даного дослідження.
“Наша мета – створювати матеріали, які реагують на стимули, які вже присутні в навколишньому середовищі”, – сказав Покорський.
«Ми надихнуті можливостями, які може відкрити ця робота, захоплюючими новими матеріалами, які ми можемо створити. Це той тип досліджень, які можуть вийти, коли дослідники з міждисциплінарним досвідом у галузі матеріалознавства та біологічних наук поєднують зусилля. Це все стало можливим завдяки нашій міждисциплінарній дослідницькій групі у MRSEC Каліфорнійського університету в Сан-Дієго». Джерело
