تصنع البكتيريا المعدلة وراثيًا مواد حية للجدران ذاتية الإصلاح وتنظيف التلوث

باستخدام حاضنة فقط وبعض المرق ، يمكن للباحثين زراعة مرشحات قابلة لإعادة الاستخدام مصنوعة من البكتيريا لتنظيف المياه الملوثة ، واكتشاف المواد الكيميائية في البيئة وحماية الأسطح من الصدأ والعفن.

أنا عالم أحياء اصطناعي يدرس المواد الحية المهندسة – وهي مواد مصنوعة من خلايا حية لها وظائف متنوعة. في بحثي المنشور مؤخرًا ، قمت ببرمجة البكتيريا لتكوين مواد حية لا يمكن تعديلها لتطبيقات مختلفة فحسب ، بل إنها أيضًا سريعة وسهلة الإنتاج.

من الخلايا الحية إلى المواد القابلة للاستخدام

تحتوي البكتيريا ، مثل الخلايا البشرية ، على الحمض النووي الذي يوفر التعليمات لبناء البروتينات. يمكن تعديل الحمض النووي البكتيري لتوجيه الخلية لبناء بروتينات جديدة ، بما في ذلك البروتينات غير الموجودة في الطبيعة. يمكن للباحثين أن يتحكموا بالضبط في مكان تواجد هذه البروتينات داخل الخلية.

نظرًا لأن المواد الحية المهندسة مصنوعة من خلايا حية ، فيمكن هندستها وراثيًا لأداء مجموعة متنوعة من الوظائف ، تقريبًا مثل برمجة هاتف محمول بتطبيقات مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن للباحثين تحويل البكتيريا إلى أجهزة استشعار للملوثات البيئية عن طريق تعديلها لتغيير اللون في وجود جزيئات معينة. استخدم الباحثون أيضًا البكتيريا لإنشاء جزيئات من الحجر الجيري ، وهي المادة الكيميائية المستخدمة في صنع الستايروفوم والخلايا الكهروضوئية الحية ، من بين أشياء أخرى.

كان التحدي الأساسي للمواد الحية المهندسة هو معرفة كيفية حثهم على إنتاج مصفوفة ، أو مواد تحيط بالخلية ، تسمح للباحثين بالتحكم في الخصائص الفيزيائية للمادة النهائية ، مثل اللزوجة والمرونة والصلابة. لمعالجة هذا الأمر ، قمت أنا وفريقي بإنشاء نظام لتشفير هذه المصفوفة في الحمض النووي للبكتيريا.

قمنا بتعديل الحمض النووي للبكتيريا Caulobacter الهلال بحيث تنتج الخلايا البكتيرية على أسطحها مصفوفة مكونة من كميات كبيرة من البروتينات المرنة. تتمتع هذه البروتينات المرنة بالقدرة على الارتباط ببعضها البعض وتشكيل الهلاميات المائية ، وهي نوع من المواد التي يمكنها الاحتفاظ بكميات كبيرة من الماء.

عندما تقترب خليتان من الخلايا البكتيرية المعدلة وراثيًا ، تتجمع هذه البروتينات معًا وتبقي الخلايا متصلة ببعضها البعض. من خلال إحاطة كل خلية بهذه المادة اللزجة والمرنة ، تتجمع الخلايا البكتيرية معًا لتشكيل عجين حي.

علاوة على ذلك ، يمكننا تعديل البروتينات المرنة لتغيير خصائص المادة النهائية. على سبيل المثال ، يمكننا تحويل البكتيريا إلى مواد بناء صلبة لديها القدرة على الإصلاح الذاتي في حالة حدوث ضرر. بدلاً من ذلك ، يمكننا تحويل البكتيريا إلى مواد لينة يمكن استخدامها كمواد مالئة في المنتجات.

الميزة المادية الحية

عادةً ما يكون إنشاء مواد متعددة الوظائف أمرًا صعبًا للغاية ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى تكاليف المعالجة الباهظة للغاية. مثل الشجرة التي تنمو من بذرة ، فإن المواد الحية ، من ناحية أخرى ، تنمو من خلايا لديها الحد الأدنى من متطلبات المغذيات والطاقة. تسمح قابليتها للتحلل البيولوجي ومتطلبات الإنتاج الدنيا بإنتاج مستدام واقتصادي.

تقنية صنع المواد الحية غير متطورة ورخيصة. لا يتطلب الأمر سوى حاضنة اهتزاز وبروتينات وسكريات لتنمية مادة متعددة الوظائف وعالية الأداء من البكتيريا. الحاضنة عبارة عن صندوق معدني أو بلاستيكي يحافظ على درجة الحرارة عند حوالي 98.6 درجة فهرنهايت (37 درجة مئوية) ، وهو أقل بكثير من فرن المنزل التقليدي ، ويهز الخلايا بسرعات أبطأ من الخلاط.

يعد تحويل البكتيريا إلى مواد حية أيضًا عملية سريعة. تمكنت أنا وفريقي من تنمية موادنا الحية البكتيرية في حوالي 24 ساعة. هذا سريع جدًا مقارنة بعملية تصنيع المواد الأخرى ، بما في ذلك المواد الحية مثل الخشب التي قد تستغرق سنوات لإنتاجها.

علاوة على ذلك ، فإن الوحل البكتيري الحي لدينا سهل النقل والتخزين. يمكن أن يعيش في وعاء في درجة حرارة الغرفة لمدة تصل إلى ثلاثة أسابيع ويعاد وضعه في وسط جديد لينمو مرة أخرى. هذا يمكن أن يقلل من تكلفة التكنولوجيا المستقبلية بناءً على هذه المواد.

أخيرًا ، تعد المواد الحية المصممة هندسيًا تقنية صديقة للبيئة. لأنها مصنوعة من خلايا حية ، فهي متوافقة حيوياً ، أو غير سامة ، وقابلة للتحلل ، أو قابلة للتحلل بشكل طبيعي.

الخطوات التالية

لا تزال هناك بعض جوانب المادة البكتيرية الحية لدينا التي تحتاج إلى توضيح. على سبيل المثال ، لا نعرف بالضبط كيف تتفاعل البروتينات الموجودة على سطح الخلية البكتيرية مع بعضها البعض ، أو مدى قوة ارتباطها ببعضها البعض. كما أننا لا نعرف بالضبط عدد جزيئات البروتين المطلوبة للحفاظ على تماسك الخلايا.

ستمكننا الإجابة على هذه الأسئلة من تخصيص المزيد من المواد الحية بالصفات المرغوبة للوظائف المختلفة.

بعد ذلك ، أخطط لاستكشاف زراعة أنواع مختلفة من البكتيريا كمواد حية لتوسيع التطبيقات التي يمكن استخدامها فيها. بعض أنواع البكتيريا أفضل من غيرها لأغراض مختلفة. على سبيل المثال ، تعيش بعض البكتيريا بشكل أفضل في بيئات معينة ، مثل جسم الإنسان أو التربة أو المياه العذبة. من ناحية أخرى ، يمكن للبعض التكيف مع الظروف الخارجية المختلفة ، مثل تغير درجات الحرارة والحموضة والملوحة.

من خلال وجود العديد من أنواع البكتيريا للاختيار من بينها ، يمكن للباحثين تخصيص المزيد من المواد التي يمكنهم إنشاؤها.