„Lebendes Material“ bietet neue Möglichkeit, verschmutztes Wasser zu reinigen
Forscher der University of California in San Diego haben einen neuen Materialtyp entwickelt, der eine nachhaltige und umweltfreundliche Lösung zur Reinigung von Schadstoffen aus Wasser bieten könnte.
Es wird als „technisch hergestelltes lebendes Material“ bezeichnet und ist eine 3D-gedruckte Struktur aus einem Polymer auf Algenbasis in Kombination mit Bakterien, die gentechnisch verändert wurden, um ein Enzym zu produzieren, das verschiedene organische Schadstoffe in harmlose Moleküle umwandelt. Die Bakterien wurden auch so manipuliert, dass sie sich in Gegenwart eines Moleküls namens Theophyllin, das häufig in Tee und Schokolade vorkommt, selbst zerstören. Dies bietet eine Möglichkeit, sie zu beseitigen, nachdem sie ihre Arbeit getan haben.
Die Forscher beschreiben das neue Dekontaminationsmaterial in einem Papier in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
„Innovativ ist die Kombination eines Polymermaterials mit einem biologischen System, um ein lebendes Material zu schaffen, das auf eine Art und Weise funktionieren und auf Reize reagieren kann, wie es normale synthetische Materialien nicht können“, sagte Jon Pokorski, Professor für Nanotechnik an der UC San Diego, der Co- leitete die Forschung.
Debika Datta, Postdoktorandin im Bereich Nanotechnik an der UC San Diego und Co-Erstautorin der Studie, bereitet eine Probe des lebenden Materials vor. Fotos von David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Die Arbeit war eine Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Materialwissenschaftlern und Biologen am UC San Diego Materialforschungszentrum für Wissenschaft und Technik (MRSEC). Zu den Co-Hauptforschern des multidisziplinären Teams gehören die Molekularbiologieprofessoren Susan Golden und James Golden sowie der Nanoingenieurprofessor Shaochen Chen.
„Diese Zusammenarbeit ermöglichte es uns, unser Wissen über die Genetik und Physiologie von Cyanobakterien anzuwenden, um ein lebendes Material zu schaffen“, sagte Susan Golden, Fakultätsmitglied an der School of Biological Sciences. „Jetzt können wir kreativ darüber nachdenken, neue Funktionen in Cyanobakterien einzubauen, um nützlichere Produkte herzustellen.“
Um das lebende Material in dieser Studie herzustellen, verwendeten die Forscher Alginat, ein natürliches Polymer aus Algen, hydratisierten es zu einem Gel und vermischten es mit einer Art im Wasser lebender, photosynthetischer Bakterien, den sogenannten Cyanobakterien.
Die Mischung wurde in einen 3D-Drucker eingespeist. Nachdem sie verschiedene 3D-gedruckte Geometrien ihres Materials getestet hatten, stellten die Forscher fest, dass eine gitterartige Struktur optimal war, um die Bakterien am Leben zu halten. Die gewählte Form hat ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, wodurch die meisten Cyanobakterien nahe der Oberfläche des Materials platziert werden, um Zugang zu Nährstoffen, Gasen und Licht zu erhalten.
Das lebende Material wird als gitterartige Struktur 3D-gedruckt.
Die vergrößerte Oberfläche macht das Material außerdem effektiver bei der Dekontamination.
Als Proof-of-Concept-Experiment haben die Forscher die Cyanobakterien in ihrem Material gentechnisch verändert, um kontinuierlich ein dekontaminierendes Enzym namens Laccase zu produzieren. Studien haben gezeigt, dass Laccase zur Neutralisierung einer Vielzahl organischer Schadstoffe verwendet werden kann, darunter Bisphenol A (BPA), Antibiotika, Arzneimittel und Farbstoffe. In dieser Studie zeigten die Forscher, dass ihr Material zur Dekontamination des farbstoffbasierten Schadstoffs Indigokarmin verwendet werden kann, einem blauen Farbstoff, der in der Textilindustrie häufig zum Färben von Denim verwendet wird. In Tests entfärbte das Material eine wässrige Lösung, die den Farbstoff enthielt.
Die Forscher entwickelten außerdem eine Möglichkeit, die Cyanobakterien nach der Beseitigung der Schadstoffe zu eliminieren. Sie haben die Bakterien gentechnisch so verändert, dass sie auf ein Molekül namens Theophyllin reagieren. Das Molekül veranlasst die Bakterien, ein Protein zu produzieren, das ihre Zellen zerstört.
„Das lebende Material kann auf den interessierenden Schadstoff einwirken, anschließend kann ein kleines Molekül hinzugefügt werden, um die Bakterien abzutöten“, sagte Pokorski. „Auf diese Weise können wir alle Bedenken hinsichtlich des Verbleibs gentechnisch veränderter Bakterien in der Umwelt zerstreuen.“
Eine vorzuziehende Lösung, so die Forscher, besteht darin, die Bakterien ohne den Zusatz von Chemikalien selbst zerstören zu lassen. Dies wird eine der zukünftigen Richtungen dieser Forschung sein.
„Unser Ziel ist es, Materialien herzustellen, die auf Reize reagieren, die bereits in der Umgebung vorhanden sind“, sagte Pokorski.
„Wir sind begeistert von den Möglichkeiten, die diese Arbeit mit sich bringen kann, und von den aufregenden neuen Materialien, die wir herstellen können. Dies ist die Art von Forschung, die entstehen kann, wenn Forscher mit interdisziplinärer Expertise in den Material- und Biowissenschaften zusammenarbeiten. Dies alles ist dank unserer interdisziplinären Forschungsgruppe an der UC San Diego MRSEC möglich.“
Papiertitel: “Phänotypisch komplexe lebende Materialien, die manipulierte Cyanobakterien enthalten.“ Zu den Co-Autoren gehören Debika Datta*, Elliot L. Weiss*, Daniel Wangpraseurt, Erica Hild, Shaochen Chen, James W. Golden, Susan S. Golden und Jonathan K. Pokorski, alle an der UC San Diego.
*Diese Autoren haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.
Diese Arbeit wurde freundlicherweise zur Verfügung gestellt und teilweise von dieser unterstützt UC San Diego Zentrum für Materialforschung, Wissenschaft und Technik (UC San Diego MRSEC) und der National Science Foundation (DMR-2011924).
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