Забруднення води викликає все більше занепокоєння в усьому світі, згідно з дослідженнями, хімічна промисловість щорічно скидає у водойми 300–400 мегатонн (600–800 мільярдів фунтів) промислових відходів. Як команда вчених-матеріалів ми працюємо над створеним «живим матеріалом», який зможе перетворювати хімічні барвники, що забруднюють текстильну промисловість, у нешкідливі речовини.
Забруднення води є як екологічною, так і гуманітарною проблемою, яка може вплинути як на екосистеми, так і на здоров’я людини. Ми сподіваємося, що матеріали, які ми розробляємо, можуть стати одним із доступних інструментів для боротьби з цією проблемою.
Інженерія живого матеріалу
«Інженерний живий матеріал», над яким працювала наша команда, містить запрограмовані бактерії, вбудовані в м’який гідрогелевий матеріал. Ми вперше опублікували статтю про потенційну ефективність цього матеріалу в Nature Communications у серпні 2023 року.
Гідрогель, який утворює основу матеріалу, має такі ж властивості, як і Jell-O — він м’який і складається переважно з води. Наш конкретний гідрогель виготовляється з натурального та біологічно розкладаного полімеру на основі морських водоростей під назвою альгінат, інгредієнта, який поширений у деяких харчових продуктах.
Альгінатний гідрогель забезпечує міцну фізичну підтримку для бактеріальних клітин, подібно до того, як тканини підтримують клітини в організмі людини. Ми навмисно обрали цей матеріал, щоб бактерії, які ми вставили, могли рости та процвітати. За основу ми вибрали альгінат на основі морських водоростей, тому що він пористий і здатний утримувати воду. Це також дозволяє бактеріальним клітинам отримувати поживні речовини з навколишнього середовища.
Після того, як ми приготували гідрогель, ми вставили в гель фотосинтезуючі або вловлюючі сонячне світло бактерії, які називаються ціанобактеріями. Ціанобактеріям, вбудованим у матеріал, все ще потрібно було приймати світло та вуглекислий газ для здійснення фотосинтезу, який підтримує їх життя. Гідрогель був досить пористим, щоб це дозволити, але щоб зробити конфігурацію максимально ефективною, ми надрукували гель в особливих формах — сітках і сотах — на 3D-друкі. Ці структури мають більш високе співвідношення поверхні до об’єму, що дозволяє більше світла, CO₂ і поживних речовин надходити в матеріал.
Клітини були щасливі в цій геометрії. Ми спостерігали вищий ріст і щільність клітин з часом в альгінатних гелях у сітчастих або стільникових структурах порівняно з формою диска за замовчуванням.
Очищення барвника
Як і всі інші бактерії, ціанобактерії мають різні генетичні ланцюги, які повідомляють клітинам, які результати виробляти. Наша команда генетично сконструювала бактеріальну ДНК, щоб клітини створили специфічний фермент під назвою лакказа. Фермент лакказа, що виробляється ціанобактеріями, виконує хімічну реакцію із забруднювачем, яка перетворює його на форму, яка більше не функціонує. Розриваючи хімічні зв’язки, він може зробити токсичний забруднювач нетоксичним. Фермент регенерується в кінці реакції, і він йде для завершення інших реакцій.
Після того, як ми вставили ці ціанобактерії, що утворюють лакказу, в альгінатний гідрогель, ми помістили їх у розчин промислового забруднювача барвника, щоб перевірити, чи зможуть вони очистити барвник. У цьому тесті ми хотіли побачити, чи зможе наш матеріал змінити структуру барвника так, щоб він перетворився з кольорового на незабарвлений. Але в інших випадках матеріал може потенційно змінити хімічну структуру, щоб перетворитися з токсичної на нетоксичну.
Барвник, який ми використовували, індигокармін, є звичайним забруднювачем промислових стічних вод, який зазвичай зустрічається у воді поблизу текстильних заводів, це основний пігмент синіх джинсів. Ми виявили, що наш матеріал повністю позбавив основної маси барвника приблизно за 10 днів.
Це гарна новина, але ми хотіли переконатися, що наш матеріал не додає відходів до забрудненої води, вимиваючи бактеріальні клітини. Отже, ми також сконструювали бактерії, щоб вони виробляли білок, який міг пошкодити клітинну мембрану бактерій — програмований вимикач.
Генетична схема була запрограмована реагувати на нешкідливу хімічну речовину під назвою теофілін, яка зазвичай міститься в кофеїні, чаї та шоколаді. Додаючи теофілін, ми могли знищувати бактеріальні клітини за бажанням. Сфера створених живих матеріалів все ще розвивається, але це лише означає, що є багато можливостей для розробки нових матеріалів як з живими, так і з неживими компонентами.