Edificios cultivados por bacterias: una nueva investigación encuentra formas de convertir las células en microfábricas de materiales

Los edificios no son diferentes del cuerpo humano. Tienen huesos y piel, respiran. Cuando se encienden, consumen energía, regulan la temperatura y generan residuos. Los edificios son organismos, aunque inanimados.

Pero, ¿qué pasa si los edificios (paredes, techos, pisos, ventanas) están realmente vivos, crecidos, mantenidos y reparados con materiales vivos? Imagine arquitectos que utilizan herramientas genéticas para codificar la estructura de un edificio directamente en el ADN de un organismo y luego construyen edificios que pueden repararse a sí mismos, interactuar con los residentes y adaptarse a su entorno.

La arquitectura viva está pasando del ámbito de la ciencia ficción al laboratorio a medida que los equipos de investigación interdisciplinarios transforman las células vivas en fábricas en miniatura.En la Universidad de Colorado Boulder, dirijo Laboratorio de materiales vivosJunto con nuestros colaboradores en bioquímica, microbiología, ciencia de materiales e ingeniería estructural, utilizamos Biología sintética Kit de herramientas para diseñar bacterias para producir minerales y polímeros útiles y convertirlos en bloques de construcción vivos que algún día podrían dar vida a los edificios.

En un estudio publicado en Scientific Reports, mis colegas y yo programación genética Escherichia coli Hacer gránulos de piedra caliza Disponible en diferentes formas, tamaños, rigidez y tenacidad.En otro estudio, mostramos Escherichia coli El estireno se puede programar genéticamente – Sustancias químicas utilizadas para fabricar espuma de poliestireno, comúnmente conocida como espuma de poliestireno.

Células verdes de edificios verdes.

En nuestro trabajo reciente publicado en Matter, utilizamos cianobacterias fotosintéticas Ayúdanos a cultivar materiales de construcción estructurales – Lo mantenemos vivo. Al igual que las algas, las cianobacterias son microbios verdes que se encuentran en todo el medio ambiente, pero se sabe que crecen en las paredes de las peceras. En lugar de emitir dióxido de carbono, las cianobacterias usan dióxido de carbono y luz solar para crecer y, bajo las condiciones adecuadas, hacer biocemento, que usamos para ayudarnos a unir los granos de arena para hacer un ladrillo vivo.

Al mantener vivas las cianobacterias, podemos fabricar materiales de construcción de manera exponencial. Tomamos un ladrillo vivo, lo partimos por la mitad y cultivamos dos ladrillos completos a partir de las mitades. Dos ladrillos enteros se convirtieron en cuatro y cuatro en ocho. En lugar de hacer un ladrillo a la vez, usamos el crecimiento exponencial de bacterias para hacer muchos ladrillos a la vez, demostrando una forma completamente nueva de hacer materiales.

Los investigadores solo han arañado la superficie del potencial de los biomateriales diseñados. Otros organismos pueden dotar a los componentes básicos materiales de otras funciones vitales. Por ejemplo, diferentes bacterias pueden producir materiales que pueden repararse a sí mismos, sentir y responder a estímulos externos como la presión y la temperatura, e incluso emitir luz. Si la naturaleza puede hacerlo, también lo pueden hacer los biomateriales por diseño.

Los edificios de producción y vivienda también requieren menos energía que los edificios estándar. La fabricación y el transporte de los materiales de construcción actuales consumen mucha energía y emiten mucho dióxido de carbono. Por ejemplo, la piedra caliza se quema para hacer cemento para hormigón. El metal y la arena se extraen y funden para fabricar acero y vidrio.Fabricación, Envío y Montaje Los materiales de construcción representan el 11% de las emisiones globales de CO2. Solo la producción de cemento representa el 8%Por el contrario, algunos materiales biológicos, como nuestros ladrillos de cianobacterias, pueden secuestrar dióxido de carbono.

área de cultivo

Equipos de investigación de todo el mundo están demostrando el poder y el potencial de los biomateriales diseñados a muchas escalas, incluso Biopelícula conductiva, catalizador activo de una sola celda para la polimerización y Fotovoltaica vivaLos investigadores han hecho Máscaras vivas capaces de detectar y comunicar la exposición a sustancias químicas tóxicasLos investigadores también están tratando de Cultivo y ensamblaje de materiales a granel de una sola célula genéticamente programada.

Si bien las células individuales suelen tener menos de un micrómetro (milésima de milímetro) de tamaño, los avances en biotecnología y la impresión 3D han permitido la producción comercial de materiales vivos. ecologíaPor ejemplo, el micelio fúngico se usa para hacer crecer material similar a la espuma. albañil bio Producción de bloques y tejas de biocemento utilizando microorganismos.Aunque estos productos pueden quedarse sin vida al final del proceso de fabricación, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft han ideado un método Encapsulación e impresión 3D de bacterias vivas en estructuras multicapa Brillan cuando se encuentran con ciertos químicos.

El campo de los biomateriales de ingeniería está en su infancia y se requiere más investigación y desarrollo para cerrar la brecha entre la investigación de laboratorio y la disponibilidad comercial. Los desafíos incluyen costos, pruebas, certificación y aumento de la producción. La aceptación del consumidor es otro tema. Por ejemplo, la industria de la construcción tiene una visión negativa de los organismos vivos. Piense en moho, hongos, arañas, hormigas y termitas. Esperamos cambiar esta percepción. Los investigadores que estudian materiales biológicos también deben abordar las preocupaciones sobre la seguridad y la bioincrustación.

La Fundación Nacional de Ciencias nombró recientemente biomateriales de ingeniería Una de las prioridades nacionales clave de investigaciónLa biología sintética y los biomateriales diseñados desempeñarán un papel clave para abordar los desafíos que enfrenta la humanidad en la década de 2020 y más allá: cambio climático, resiliencia ante desastres, infraestructura envejecida y sobrecargada, y exploración espacial.

Si la humanidad tiene un paisaje en blanco, ¿cómo construirá la gente las cosas? Sabiendo lo que los científicos saben ahora, estoy seguro de que no quemamos piedra caliza para hacer cemento, ni extraemos minerales para hacer acero, ni derretimos arena para hacer vidrio. En cambio, creo que recurriremos a la biología para que nos ayude a establecer y desdibujar las líneas entre nuestro entorno construido y el mundo natural en el que vivimos.

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