利用细菌来建造“火神山”“雷神山”？未来应急或可期！

由细菌制成的类似塑料的材料制成 图片来源：Ruby Wallau

这是《肠道产业》第 199 篇文章

编者按：

在过去的一个多月里，全中国人民一直在共同抗击疫情：医护人员奔赴一线，热心企业驰援武汉，普通百姓捐出爱心.....

在这场关乎生死的考验里，我们创造并见证了许多奇迹，其中之一就是“中国速度”——短短十几日，火神山、雷神山等医院便紧急搭建完成。而这速度的背后是无数工人们的辛勤汗水和夜以继日。

在此，再次向所有在一线为抗击疫情奋斗的人们致敬！

而火神山或者雷神山的故事也告诉我们危急情况下，应急设施建设的重要性。那么，是否有办法可以像细胞分裂一样指数级搭建建筑呢？是否有可能像培养细菌一样给了原材料就让道路自己“长”出来呢？

这听起来像是科幻小说，但其实这些想法是有可能被实现的，实际上，已经有很多科学家开始利用微生物来干一些匪夷所思的事情了。

今天我们特别编译发表在 Science 杂志上关于利用微生物制造材料的文章并结合相关报道撰写此文。

希望该文能够为各位读者带来一些关于微生物应用的新启发与新见解，同时也期待更多关于微生物全新应用的出现以造福人类。

工程活体材料ELM

在科罗拉多大学（位于博尔德）Wil Srubar 的实验室中，有一种特殊的砖块，它们不仅是活着的，而且还可以复制或者说繁殖。

这些砖块是由细菌制造出来的，这些细菌可以将沙子、营养物质和其它原材料转化成一种生物水泥，就像珊瑚合成珊瑚礁那样。你可以把一块砖劈开，几个小时后，它就会自动“生长”成两块砖块。

这项研究属于一个神奇的领域——工程活体材料（Engineered living materials， ELM）。

工程活体材料的设计模糊了边界。人们使用细胞，其中大部分是微生物，来建造结构物质。

长期以来，人类都在从微生物那里获取化学物质，比如酒精和药物。但是 ELM 的研究人员却想要让微生物来建造物体。

东北大学的 ELM 专家 Neel Joshi 说：“细胞是惊人的制造工厂，我们正在尝试使用这些细胞去生产我们想要的东西。”

Joshi 的团队正在训练细胞以产生可以替代塑料或用于医学治疗的材料。

其团队凭借该想法从近 800 名参赛者中脱颖而出，成为美国国家学科学基金会所组织的 2026 Idea Machine 比赛的四位大奖获得者之一。该比赛旨在寻求“巨大挑战”来帮助制定美国未来几年的研究方向。

Joshi 说，利用细菌建造材料的方法其实并不像看起来那么疯狂，因为生物制造工业已经使用微生物制造了维生素、香料、药物和其他有用的分子，活细胞也已经创造出了一些更大的材料。

事实上，现在一些餐厅里的可降解塑料就是利用微生物产生的聚合物所制成的，甚至一些家具的材料，硬化水泥或者类似木材的替代材料，也是利用微生物制造的。

目前，越来越多的科学家开始尝试利用微生物来制造材料。而且一些材料还会像开头所提的 Srubar 实验室制造的砖块那样，最终仍存有活细胞，以发挥出惊人的功能。

在德国莎儿布吕肯（Saarbruken）举办的 2020 年生活材料会议上，已经出现了能够自行建造的机场跑道和在体内生长的活绷带。

那么，这些微生物究竟是如何制造这些不可思议的材料的呢？

在 Srubar 实验室中，用活体建筑材料做成的拱门

细菌跑道和“活”砖块

我们先从砖块讲起。

砖块的传统制作方法是：将粘土、沙子、石灰和水混合，制模并在 1000℃ 以上的温度中烧制。这种方法会消耗大量的能量并且造成每年数亿吨的碳排放。

而位于北卡罗来纳州首府罗利（Raleigh）的 bioMASON 公司是探索利用细菌代替热能的第一批公司之一。他们所利用的原理是：微生物可以将营养物质转化为碳酸钙，在室温下使沙子硬化，成为坚固的建筑材料。

目前，还有几个研究团队正在尝试让这种想法走得更远。

美国海军研究实验室的微生物学家和 ELM 专家 Sarah Glaven 这样问道：“可不可以将细菌混合到沙子和明胶中来产生临时跑道？”

2019 年 6 月，俄亥俄州的赖特-帕特森空军基地的研究团队做到了。他们制造了一条 232 平方米的跑道原型。

美国国防高级研究项目局 ELM 项目负责人 Blake Bextine 说，他们最终希望不再需要运送成吨的材料来建立远征空军基地，取而代之的是军事工程师们只需要使用当地的沙子、砾石和水，再加上几桶用于制造水泥的细菌就可以在几天内建造新的跑道。

不过上述所说的砖块和搭建机场跑道的水泥的最终结构中没有活细胞，但是 Srubar 的研究团队正在以这个目标作为接下来的行动方向。

Srubar 的团队尝试在砖块中保留活细胞以帮助砖块进行“自我复制”。

研究人员将包含营养物质的凝胶同沙子和细菌一起培养来产生碳酸钙。接着，他们通过控制温度和湿度以保持微生物的活性。

然后，研究者们将砖块变成两半，添加额外的沙子，水凝胶和营养物质，在 6 小时内就可以观察到在微生物的作用下长出了两块全尺寸的砖块。三代后，就可以得到 8 块砖。

一旦细菌完成了砖块生产，就可以关掉温度和湿度的控制，Srubar 称之为“指数材料制造”。该项研究结果发表在 1 月 15 号的 Matter 期刊上。

Neel Joshi 正在训练细胞以构建可以替代塑料或用于医学治疗的材料 图片来源： RubyWallau

“人造”生物膜：抗病解毒

ELM 的制造者们也正在利用微生物来生产可供人体使用的生物材料。

微生物分泌的天然蛋白质可以将微生物细胞结合在一起，形成物理支架。然后，更多的细菌可以黏附在上面，形成“共有微生物垫”，也就是生物膜。生物膜在牙齿表面和船的表面都有发现。

Joshi 的研究团队开发了一种生物膜，可以保护饱受胃溃疡折磨、患有炎症性肠炎患者的肠道。

在 2019 年 12 月 6 日发行的 Nature Communications 上，他们报道了一种工程大肠杆菌，这种细菌可以在小鼠的肠道中产生蛋白质并形成保护性的基质，保护组织免受引起溃疡的化学物质的影响。

如果这种方法在人体中起作用，那么，内科医生就可以把这种工程微生物移植到患者的肠道内。

在其他医疗方面，细菌可以将传统材料转化为天然抗菌材料。

例如，在 2019 年 12 月 2 日的 Nature Chemical Biology 杂志上，麻省理工学院的 Christopher Voigt 和他的同事们发表了一项研究，他们利用可由细菌不断产生的细菌孢子来生产塑料。

而由于微生物能够合成一种抗菌物质，所以这种塑料可以有效抑制具有感染性的金黄色葡萄球菌。

由上海科技大学钟超团队主导的一项研究，开发了另一种具有完全不同功能的工程生物膜：净化环境。

他们从一种可以分泌名为 TasA 基质形成蛋白质的细菌——枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）开始。在其他的研究中已经发现通过基因工程，TasA 可以很容易的同其他蛋白质结合。

于是，该研究团队对 TasA 蛋白进行了改造，使之能够与一种可降解有毒工业物质 MHET（也被称为 mono ，2-hydroxyethyl terephthalic acid）的酶结合。

然后，研究人员证明了工程菌产生的生物膜可以降解 MHET。

而且研究还发现由两种枯草芽孢杆菌构成的混合工程细菌产生的生物膜能够通过两步降解法降解一种叫做对氧磷的有机磷酸酯农药。

该研究小组在 2019 年 1 月的 Nature Chemical Biology 上发表了这一结果，该研究提出了使用活性墙壁净化空气的可能。

不过，该研究中涉及的监管问题可能会减缓该方向的发展。

ELM 研究人员使用的大多细菌都是自然界中存在的，应该不会触发监管审查。但是，基因工程微生物以及未来在活性墙壁中包埋的工程微生物可能会引起监管机构的注意。

尽管如此，Voigt 仍然预测：“我认为在 10 年内，我们将会在更多活体材料中发现活细胞。”

图片来源：LivingMaterials Laboratory Srubar Research Group

一切才刚开始

生物体非常擅长将一种形式有用的东西转换为另一种形式，并重复利用相同的原材料来制造其他东西。而生物制造的材料或许能够为环境保护带来更革命性的变化，比如塑料所带来的污染问题。

目前，我们每年生产约 3 亿吨塑料，其中绝大部分没有回收。塑料不会在环境中真正分解，研究人员正在寻找解决塑料废物日益严重问题的方法。而细胞制成的材料更有可能被生物降解。

一直致力于创造生物塑料的 Avinash Manjula Basavanna 说道：“从自然界学习一直是这个领域研究的一部分。而且，该研究方向比典型的仿生技术要领先一步，我们正在研究生物，根据需求定制材料。”

或许，在未来的 10 年里，我们会开始尝试使用微生物生产不同用途的材料，这将超出我们的想象范围。

细菌机场跑道也好，“活”砖头也好，这一切都仅仅是个开始。

核心部分编译自：Service, R. F. "In'living materials,'microbes are makers."Science (New York, NY) 367.6480 (2020): 841.

参考资料：https://news.northeastern.edu/2020/02/05/could-houses-of-the-future-be-made-by-bacteria/

作者｜RobertF. Service

编译｜gemiu

审校｜617

编辑｜崔心伟

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