細菌+酵母=?

2021-01-18 騰訊網

在人類建造的物質世界中，生物為我們的吃穿住行的方方面面提供了大量材料，比如我們將樹木製成建築材料，將棉花製成紡織品，將微生物通過生物工程的改造用於燃料、藥物等許多東西的製造中……

近年來，材料學和合成生物學開始出現了一個新興的研究領域，從事這類新研究的科學家試圖通過工程改造細胞和微生物等，創造出一系列具有活體特徵的「工程活體材料（engineered living materials,ELM）」，使它們能夠具有自我複製、自我調節、自我修復、響應環境和自我維持等功能。

最近，帝國理工學院和麻省理工學院的研究人員從一種發酵茶中獲得靈感，發展出了一種製造這些活體材料的新方法，並創造出了可用來淨化和過濾水「活體物質」。這項研究發表於近期的《自然·材料》上。

過去，有研究利用大腸桿菌和絲狀真菌等非食物微生物培育出了ELM，但這種技術在大規模生產ELM上面臨挑戰，使得ELM無法得到廣發使用。比如2014年，麻省理工學院的電氣工程和生物工程教授Timothy Lu就利用大腸桿菌，生成了嵌入如金納米線等材料中的生物膜。然而，這些膜非常小且薄，難以被投入到大多數的大規模應用場景中。

而新研究則受到了一種發酵紅茶——康普茶（Kombucha）的啟發，找到了一種新的利用微生物來生產ELM的方法。康普茶是近年流行的一種「網紅」飲料，它是用紅茶、糖水加酵母菌種發酵而製成的茶飲，也被稱作為紅茶菌。

紅茶菌是許多不同類型的細菌和酵母的混合物，這些混合物被簡稱為SCOBY，意為「細菌和酵母的共生培養」（symbiotic culture of bacteria and yeast），通常含有一種細菌和一種以上的酵母菌。SCOBY就宛若是一座座發酵工廠，可以生產乙醇、纖維素、醋酸等，賦予康普茶以獨特的風味。

研究人員想要創造一種類似康普茶的微生物種群，來發展出大規模生產ELM的潛力。

利用類似於康普茶中的細菌和酵母，可以創造出「活體材料」。| 圖片來源：Tzu-Chieh (Zijay) Tang

由於大多數用於發酵的野生酵母菌株都難以進行基因改造，因此在新的研究中，研究人員採用了一種被稱為釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的實驗室酵母菌來替代野生酵母，然後將釀酒酵母和一種叫做Komagataeibacter rhaeticus的細菌結合起來。Komagataeibacter rhaeticus是一種由帝國理工學院的生物工程教授Tom Ellis於幾年前從康普茶中分離出的細菌，這種細菌能產生大量的纖維素。

在實驗中，研究人員採取的策略是先專注於對酵母細胞進行改造。釀酒酵母是一種被廣泛使用的實驗室酵母菌株，研究人員可以輕易地採用生物工程技術來修改它們的細胞，使其具有各種可能的功能。與此同時，培養皿中的Komagataeibacter rhaeticus細菌會產生大量堅韌的纖維素。

在實驗中，研究人員通過設計，可以做到控制酵母本身是否融入到纖維素結構中，或者是控制由酵母生產的酶是否進入纖維素結構中。

研究人員掀起一張工程活體材料，它是一張堅韌的纖維素，可以嵌入酶或活細胞。| 圖片來源：Tzu-Chieh (Zijay) Tang

通過使用酵母和細菌的混合物，研究人員成功生產了嵌有可以執行各種功能的酶的纖維素，例如能夠感應環境中的汙染物，能夠在黑暗中發光，甚至能夠分解環境中的汙染物。未來，人類甚至可以通過這種方法來補充營養，比如代謝不足的患者可以通過飲用能產生營養素、釋放治療性蛋白的發酵茶而獲益。

此外，採用這種方法，只需短短幾天的時間，ELM就會形成。隨著放置的時間越長，它會成長得越厚，甚至達到可佔據一個浴缸那麼大的空間的程度，實現了ELM的大規模生產。

圖片來源：Imperial College London

目前，ELM技術中涉及的微生物培養需要訓練有素的專業人員和嚴格的實驗環境，這阻礙了公眾對這種技術的可及性。而新方法所涉及的操作非常簡單，理論上幾乎每個人在自己的廚房就能做到。Lu教授說：「我們預見到這樣一個未來，通過生物技術，而不是資源密集型的集中式製造，很多不同的材料將可以在家裡或者當地的生產設施中製造出來。」

#創作團隊：

文字：糖獸

圖片：嶽嶽

#參考來源：

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

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/

#圖片素材來源：

封面圖：

Silhouette1 / Pixabay

插圖：

Tzu-Chieh (Zijay) Tang / MIT

Imperial College London

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