麻省理工学院和伦敦帝国理工学院的工程师开发出一种新方法，可借鉴某种茶的发酵原理，生产坚韧且具有功能性的材料。
研究人员使用细菌和酵母的混合物生产出纤维素，其原理类似于用于发酵茶的“康普茶母”。
他们设想，这些培养物可以定制化，供人们在家中使用，用于培育水过滤器或其他有用材料。
麻省理工学院和伦敦帝国理工学院的工程师开发出一种新方法，利用类似于用于发酵茶的“康普茶母”的细菌和酵母混合物，生产坚韧且具有功能性的材料。
研究人员利用这种混合物（也称为SCOBY，即细菌与酵母共生培养物），生产出嵌入了酶的纤维素，这些酶可执行多种功能，例如感知环境污染物。他们还证明，可以将酵母直接掺入材料中，制成“活性材料”，用于净化水，或制作能够检测损伤的“智能”包装材料。
“我们预见到一个未来，各类材料可以在家中或本地生产设施中培育而成，依靠生物技术而非资源密集型的集中式制造，”麻省理工学院电气工程与计算机科学系及生物工程系副教授蒂莫西·卢（Timothy Lu）表示。
卢与伦敦帝国理工学院生物工程教授汤姆·埃利斯（Tom Ellis）为该论文的资深作者，论文今日发表于《自然·材料》（Nature Materials）。论文的第一作者为麻省理工学院研究生唐子杰（Tzu-Chieh Tang）和剑桥大学博士后查理·吉尔伯特（Charlie Gilbert）。
分工
几年前，卢的实验室开发了一种利用 大肠杆菌（E. coli） 生成 生物膜 的方法，这种生物膜嵌入了金纳米线等材料。然而，这些薄膜非常小且薄，难以用于大多数大规模应用。在此次新研究中，研究人员致力于寻找一种方法，利用微生物生产更大数量、更具实用价值的材料。
他们构想创建一个类似于康普茶母的微生物群落，即由某些类型的细菌和酵母组成的混合物。这些发酵“工厂”通常包含一种细菌和一种或多种酵母，可产生乙醇、纤维素和乙酸，其中乙酸赋予了康普茶独特的风味。
用于发酵的大多数野生酵母菌株难以进行基因改造，因此研究人员改用一种名为 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） 的实验室酵母菌株替代。他们将该酵母与一种名为 瑞氏醋杆菌（Komagataeibacter rhaeticus） 的细菌混合，该细菌由伦敦帝国理工学院的合作者此前从康普茶母中分离得到。该物种能够大量生产纤维素。
由于研究人员使用的是实验室酵母菌株，他们能够对细胞进行改造，使其具备实验室酵母所能实现的各种功能，例如产生在黑暗中发光的酶，或感知环境中的污染物。这些酵母还可经过编程，在检测到污染物后将其分解。
与此同时，培养物中的细菌大规模生产坚韧的纤维素，作为支架材料。研究人员设计了该系统，使其能够控制酵母本身或其所产生的酶是否被纳入纤维素结构中。培育该材料仅需数天时间，若持续培育足够长的时间，它可增厚至浴缸般大小的空间。
“我们认为，这是一个非常廉价且极易大批量生产的良好系统，”唐子杰表示。“其产量至少是大肠杆菌（E.coli）系统的一千倍。”
只需加入茶
为展示其微生物培养物的潜力，研究人员将这种被其命名为“Syn-SCOBY”的培养物制成一种材料，该材料包含一种可感知雌二醇的酵母，雌二醇有时作为环境污染物出现。在另一版本中，他们使用了一种酵母菌株，该菌株在暴露于蓝光时会产生一种名为荧光素酶的发光蛋白。这些酵母可替换为能够检测其他污染物、金属或病原体的其他菌株。
该培养物可在普通酵母培养基中培育，研究人员在大部分研究中均采用此培养基，但他们也证明，它可以在加糖的茶中生长。研究人员设想，这些培养物可以定制化，供人们在家中使用，用于培育水过滤器或其他有用材料。
“几乎任何人都可以在厨房或家中完成这一过程，”唐子杰表示。“你无需成为专家。你只需要糖，需要茶来提供营养，还需要一块Syn-SCOBY母体。”
该研究部分由美国陆军研究办公室、麻省理工学院士兵纳米技术研究所以及麻省理工学院-MISTI麻省理工学院-帝国理工学院种子基金资助。唐子杰获得了麻省理工学院J-WAFS奖学金的资助。
