Sadece bir inkübatör ve biraz et suyu ile araştırmacılar, kirli suyu temizlemek, ortamdaki kimyasalları tespit etmek ve yüzeyleri pastan ve küften korumak için bakterilerden yapılmış yeniden kullanılabilir filtreler geliştirebilirler.

Ben , çeşitli işlevlere sahip canlı hücrelerden yapılmış maddeler olan tasarlanmış canlı malzemeleri inceleyen bir sentetik biyologum . Yakın zamanda yayınlanan araştırmamda , bakterileri yalnızca farklı uygulamalar için değiştirilebilen değil, aynı zamanda hızlı ve kolay üretilebilen canlı malzemeler oluşturmaya programladım.

Canlı hücrelerden kullanılabilir malzemelere

İnsan hücreleri gibi, bakteriler de protein oluşturmak için talimatlar sağlayan DNA içerir. Bakteriyel DNA , hücreye doğada var olmayanlar da dahil olmak üzere yeni proteinler oluşturma talimatı verecek şekilde değiştirilebilir . Araştırmacılar, bu proteinlerin hücre içinde tam olarak nerede bulunacağını bile kontrol edebilirler.

Tasarlanmış canlı malzemeler canlı hücrelerden yapıldığından, neredeyse bir cep telefonunu farklı uygulamalarla programlamak gibi çok çeşitli işlevleri yerine getirmek için genetik olarak tasarlanabilirler. Örneğin, araştırmacılar bakterileri belirli moleküllerin varlığında renk değiştirecek şekilde değiştirerek çevresel kirleticiler için sensörlere dönüştürebilirler . Araştırmacılar , diğerlerinin yanı sıra, strafor ve canlı fotovoltaik yapmak için kullanılan kimyasal olan kireçtaşı parçacıkları oluşturmak için bakterileri de kullandılar .

Canlı organizmalar, giysi ve mobilya yapmak için malzeme “yetiştirmek” için kullanılabilir.

Tasarlanmış canlı malzemeler için birincil zorluk, araştırmacıların nihai malzemenin viskozitesi, esnekliği ve sertliği gibi fiziksel özelliklerini kontrol etmesine olanak tanıyan bir matris veya hücreyi çevreleyen maddeler üretmelerini nasıl sağlayacaklarını bulmaktı. Bunu ele almak için ekibim ve ben bu matrisi bakterinin DNA’sında kodlamak için bir sistem oluşturduk .

Caulobacter crescentus bakterisinin DNA’sını, bakteri hücrelerinin yüzeylerinde büyük miktarlarda elastik proteinlerden oluşan bir matris oluşturacak şekilde değiştirdik. Bu elastik proteinler, birbirine bağlanma ve büyük miktarlarda su tutabilen bir malzeme türü olan hidrojel oluşturma yeteneğine sahiptir.

Genetiği değiştirilmiş iki bakteri hücresi yakınlaştığında, bu proteinler bir araya gelerek hücrelerin birbirine bağlı kalmasını sağlar. Her hücreyi bu yapışkan, elastik malzeme ile çevreleyen bakteri hücreleri, canlı bir balçık oluşturmak için bir araya toplanacak.

Ayrıca, nihai malzemenin özelliklerini değiştirmek için elastik proteinleri değiştirebiliriz. Örneğin, bakterileri hasar durumunda kendi kendini tamir etme kabiliyetine sahip sert yapı malzemelerine dönüştürebiliriz. Alternatif olarak, bakterileri ürünlerde dolgu maddesi olarak kullanılabilecek yumuşak malzemelere dönüştürebiliriz.

Canlı malzeme avantajı

Kısmen çok pahalı işleme maliyetleri nedeniyle genellikle çok işlevli malzemeler oluşturmak son derece zordur . Tohumdan büyüyen bir ağaç gibi, canlı maddeler ise minimum besin ve enerji gereksinimi olan hücrelerden gelişir. Biyobozunurlukları ve minimum üretim gereksinimleri, sürdürülebilir ve ekonomik üretime izin verir.

Canlı malzemeler yapma teknolojisi basit ve ucuzdur. Bakterilerden çok işlevli, yüksek performanslı bir malzeme yetiştirmek için yalnızca çalkalayıcı bir kuluçka makinesi , proteinler ve şekerler gerekir. Kuluçka makinesi, sıcaklığı geleneksel bir ev fırınından çok daha düşük olan yaklaşık 98.6 Fahrenheit (37 Santigrat) derecede tutan ve hücreleri bir karıştırıcıdan daha yavaş hızda sallayan metal veya plastik bir kutudur.

Bakterileri canlı malzemelere dönüştürmek de hızlı bir süreçtir. Ekibim ve ben, bakteriyel canlı materyallerimizi yaklaşık 24 saat içinde büyütmeyi başardık. Bu, üretimi yıllar alabilen ahşap gibi canlı malzemeler de dahil olmak üzere diğer malzemelerin üretim sürecine kıyasla oldukça hızlıdır.

Bir yüzeyde kolonize olan Caulobacter crescentus’un bu videosunda gösterildiği gibi , bakteriler çok hızlı ve çok kolay bir şekilde çoğalırlar.

Üstelik canlı bakteriyel slime’ımızın taşınması ve saklanması kolaydır. Oda sıcaklığında bir kavanozda üç haftaya kadar hayatta kalabilir ve yeniden büyümesi için taze bir ortama geri konulabilir. Bu, bu malzemelere dayalı gelecekteki teknolojinin maliyetini düşürebilir.

Son olarak, tasarlanmış canlı malzemeler çevre dostu bir teknolojidir. Canlı hücrelerden yapıldıkları için biyolojik olarak uyumludurlar veya toksik değildirler ve biyolojik olarak parçalanabilirler veya doğal olarak parçalanabilirler.

Sonraki adımlar

Bakteriyel canlı materyalimizin hala açıklığa kavuşturulması gereken bazı yönleri var. Örneğin, bakteri hücresi yüzeyindeki proteinlerin birbirleriyle nasıl etkileştiklerini veya birbirlerine ne kadar güçlü bağlandıklarını tam olarak bilmiyoruz. Hücreleri bir arada tutmak için tam olarak kaç protein molekülünün gerekli olduğunu da bilmiyoruz.

Bu soruları cevaplamak, canlı malzemeleri farklı işlevler için istenen niteliklerde daha da özelleştirmemizi sağlayacaktır.

Daha sonra, kullanılabilecekleri uygulamaları genişletmek için canlı materyaller olarak büyüyen farklı bakteri türlerini keşfetmeyi planlıyorum. Bazı  bakteri türleri , farklı amaçlar için diğerlerinden daha iyidir. Örneğin, bazı bakteriler insan vücudu, toprak veya tatlı su gibi belirli ortamlarda en iyi şekilde hayatta kalır. Bazıları ise değişen sıcaklık, asitlik ve tuzluluk gibi farklı dış koşullara uyum sağlayabilir.

Araştırmacılar, aralarından seçim yapabilecekleri birçok bakteri türüne sahip olarak yaratabilecekleri malzemeleri daha da özelleştirebilir.