13.01.2021 - Massachusetts Institute of Technology

Inspiriert von Kombucha-Tee schaffen Ingenieure "lebende Materialien"

Eine mögliche Anwendung: "Intelligente" Verpackungsmaterialien, die Schäden erkennen können

Ingenieure des MIT und des Imperial College London haben einen neuen Weg entwickelt, um widerstandsfähige, funktionale Materialien zu erzeugen, indem sie eine Mischung aus Bakterien und Hefe verwenden, ähnlich der "Kombucha-Mutter", die zum Fermentieren von Tee verwendet wird.

Mit dieser Mischung, die auch als SCOBY (symbiotische Kultur aus Bakterien und Hefe) bezeichnet wird, konnten die Forscher Zellulose herstellen, in die Enzyme eingebettet sind, die eine Vielzahl von Funktionen erfüllen können, wie z. B. das Erkennen von Umweltschadstoffen. Sie zeigten auch, dass sie Hefe direkt in das Material einbauen können, um "lebende Materialien" zu schaffen, die zur Reinigung von Wasser oder zur Herstellung "intelligenter" Verpackungsmaterialien, die Schäden erkennen können, verwendet werden könnten.

"Wir sehen eine Zukunft voraus, in der verschiedene Materialien zu Hause oder in lokalen Produktionsstätten gezüchtet werden könnten, wobei die Biologie anstelle einer ressourcenintensiven, zentralisierten Fertigung zum Einsatz kommt", sagt Timothy Lu, ein MIT-Professor für Elektrotechnik und Informatik sowie für Bioingenieurwesen.

Lu und Tom Ellis, Professor für Bioengineering am Imperial College London, sind die Hauptautoren der Arbeit, die heute in Nature Materials erscheint. Die Hauptautoren der Arbeit sind die MIT-Absolventin Tzu-Chieh Tang und Charlie Gilbert, Postdoc an der Universität Cambridge.

Arbeitsteilung

Vor einigen Jahren entwickelte Lus Labor eine Methode, um mit E. coli Biofilme zu erzeugen, in die Materialien wie Gold-Nanodrähte eingebettet sind. Allerdings sind diese Filme sehr klein und dünn, was ihre Verwendung in den meisten großtechnischen Anwendungen erschwert. In der neuen Studie suchten die Forscher nach einer Möglichkeit, Mikroben zu nutzen, um größere Mengen von substanzielleren Materialien zu erzeugen.

Sie dachten daran, eine Mikrobenpopulation ähnlich einer Kombucha-Mutter zu schaffen, die eine Mischung aus bestimmten Arten von Bakterien und Hefe ist. Diese Fermentationsfabriken, die normalerweise eine Bakterienart und eine oder mehrere Hefearten enthalten, produzieren Ethanol, Zellulose und Essigsäure, die dem Kombucha-Tee seinen unverwechselbaren Geschmack verleiht.

Die meisten wilden Hefestämme, die für die Fermentation verwendet werden, lassen sich nur schwer gentechnisch verändern. Deshalb ersetzten die Forscher sie durch einen Stamm von Laborhefe namens Saccharomyces cerevisiae. Sie kombinierten die Hefe mit einer Bakterienart namens Komagataeibacter rhaeticus, die ihre Mitarbeiter am Imperial College London zuvor aus einer Kombucha-Mutter isoliert hatten. Diese Art kann große Mengen an Zellulose produzieren.

Da die Forscher einen Laborstamm der Hefe verwendeten, konnten sie die Zellen so manipulieren, dass sie alle Dinge tun, die Laborhefen tun können - zum Beispiel Enzyme produzieren, die im Dunkeln leuchten, oder Schadstoffe in der Umwelt erkennen. Die Hefe kann auch so programmiert werden, dass sie Schadstoffe abbauen kann, nachdem sie sie entdeckt hat.

Währenddessen produzieren die Bakterien in der Kultur große Mengen an zäher Zellulose, die als Gerüst dient. Die Forscher haben ihr System so konzipiert, dass sie steuern können, ob die Hefen selbst oder nur die von ihnen produzierten Enzyme in die Zellulosestruktur eingebaut werden. Es dauert nur ein paar Tage, um das Material zu züchten, und wenn man es lange genug stehen lässt, kann es so dick werden, dass es einen Raum so groß wie eine Badewanne einnimmt.

"Wir denken, dass dies ein gutes System ist, das sehr billig ist und sehr einfach in sehr großen Mengen hergestellt werden kann", sagt Tang. "Es ist mindestens tausendmal mehr Material als das E.coli-System."

Einfach Tee hinzufügen

Um das Potenzial ihrer Mikrobenkultur, die sie "Syn-SCOBY" nennen, zu demonstrieren, stellten die Forscher ein Material her, das Hefe enthält, die Östradiol wahrnimmt, das manchmal als Umweltschadstoff vorkommt. In einer anderen Version verwendeten sie einen Hefestamm, der ein leuchtendes Protein namens Luziferase produziert, wenn er blauem Licht ausgesetzt wird. Diese Hefen könnten gegen andere Stämme ausgetauscht werden, die andere Schadstoffe, Metalle oder Krankheitserreger erkennen.

Die Kultur kann in normalem Hefekulturmedium gezüchtet werden, das die Forscher für die meisten ihrer Studien verwendet haben, aber sie haben auch gezeigt, dass sie in Tee mit Zucker wachsen kann. Die Forscher stellen sich vor, dass die Kulturen für Menschen angepasst werden könnten, um sie zu Hause für den Anbau von Wasserfiltern oder anderen nützlichen Materialien zu verwenden.

"So ziemlich jeder kann das in seiner Küche oder zu Hause machen", sagt Tang. "Man muss kein Experte sein. Sie brauchen nur Zucker, Sie brauchen Tee, um die Nährstoffe zu liefern, und Sie brauchen ein Stück Syn-SCOBY Mutter."

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