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细菌 + 酵母 = ?

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  在人类建造的物质世界中,生物为我们的吃穿住行的方方面面提供了大量材料,比如我们将树木制成建筑材料,将棉花制成纺织品,将微生物通过生物工程的改造用于燃料、药物等许多东西的制造中……

  近年来,材料学和合成生物学开始出现了一个新兴的研究领域,从事这类新研究的科学家试图通过工程改造细胞和微生物等,创造出一系列具有活体特征的“工程活体材料(engineered living materials,ELM)”,使它们能够具有自我复制、自我调节、自我修复、响应环境和自我维持等功能。

  最近,帝国理工学院和麻省理工学院的研究人员从一种发酵茶中获得灵感,发展出了一种制造这些活体材料的新方法,并创造出了可用来净化和过滤水“活体物质”。这项研究发表于近期的《自然·材料》上。

  

  过去,有研究利用大肠杆菌和丝状真菌等非食物微生物培育出了ELM,但这种技术在大规模生产ELM上面临挑战,使得ELM无法得到广发使用。比如2014年,麻省理工学院的电气工程和生物工程教授Timothy Lu就利用大肠杆菌,生成了嵌入如金纳米线等材料中的生物膜。然而,这些膜非常小且薄,难以被投入到大多数的大规模应用场景中。

  而新研究则受到了一种发酵红茶——康普茶(Kombucha)的启发,找到了一种新的利用微生物来生产ELM的方法。康普茶是近年流行的一种“网红”饮料,它是用红茶、糖水加酵母菌种发酵而制成的茶饮,也被称作为红茶菌

  红茶菌是许多不同类型的细菌和酵母的混合物,这些混合物被简称为SCOBY,意为“细菌和酵母的共生培养”(symbiotic culture of bacteria and yeast),通常含有一种细菌和一种以上的酵母菌。SCOBY就宛若是一座座发酵工厂,可以生产乙醇、纤维素、醋酸等,赋予康普茶以独特的风味。

  研究人员想要创造一种类似康普茶的微生物种群,来发展出大规模生产ELM的潜力。

  

  利用类似于康普茶中的细菌和酵母,可以创造出“活体材料”。| 图片来源:Tzu-Chieh (Zijay) Tang

  由于大多数用于发酵的野生酵母菌株都难以进行基因改造,因此在新的研究中,研究人员采用了一种被称为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的实验室酵母菌来替代野生酵母,然后将酿酒酵母和一种叫做Komagataeibacter rhaeticus的细菌结合起来。Komagataeibacter rhaeticus是一种由帝国理工学院的生物工程教授Tom Ellis于几年前从康普茶中分离出的细菌,这种细菌能产生大量的纤维素

  在实验中,研究人员采取的策略是先专注于对酵母细胞进行改造。酿酒酵母是一种被广泛使用的实验室酵母菌株,研究人员可以轻易地采用生物工程技术来修改它们的细胞,使其具有各种可能的功能。与此同时,培养皿中的Komagataeibacter rhaeticus细菌会产生大量坚韧的纤维素。

  在实验中,研究人员通过设计,可以做到控制酵母本身是否融入到纤维素结构中,或者是控制由酵母生产的酶是否进入纤维素结构中。

  

  研究人员掀起一张工程活体材料,它是一张坚韧的纤维素,可以嵌入酶或活细胞。| 图片来源:Tzu-Chieh (Zijay) Tang

  通过使用酵母和细菌的混合物,研究人员成功生产了嵌有可以执行各种功能的酶的纤维素,例如能够感应环境中的污染物,能够在黑暗中发光,甚至能够分解环境中的污染物。未来,人类甚至可以通过这种方法来补充营养,比如代谢不足的患者可以通过饮用能产生营养素、释放治疗性蛋白的发酵茶而获益。

  此外,采用这种方法,只需短短几天的时间,ELM就会形成。随着放置的时间越长,它会成长得越厚,甚至达到可占据一个浴缸那么大的空间的程度,实现了ELM的大规模生产。

  

  

  图片来源:Imperial College London

  目前,ELM技术中涉及的微生物培养需要训练有素的专业人员和严格的实验环境,这阻碍了公众对这种技术的可及性。而新方法所涉及的操作非常简单,理论上几乎每个人在自己的厨房就能做到。Lu教授说:“我们预见到这样一个未来,通过生物技术,而不是资源密集型的集中式制造,很多不同的材料将可以在家里或者当地的生产设施中制造出来。”

  #创作团队:

  文字:糖兽

  图片:岳岳

  #参考来源:

  https://news.mit.edu/2021/living-materials-kombucha-0111

  https://doi.org/10.1038/s41563-020-00857-5

  https://scienmag.com/scientists-create-living-materials-using-kombucha-inspired-microbial-mixture/

  https://www.imperial.ac.uk/news/212173/kombucha-inspired-microbial-mixture-lets-scientists-create/

  #图片素材来源

  封面图:

  Silhouette1 / Pixabay

  插图:

  Tzu-Chieh (Zijay) Tang / MIT

  Imperial College London

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