Чайный гриб вдохновил ученых на создание нового биоинженерного материала

Инженеры Массачусетского технологического института и Имперского колледжа Лондона разработали новый способ получения функциональных материалов с использованием смеси бактерий и дрожжей, подобной «чайному грибу».

Чайный гриб, который держат в банках на кухне и используют для приготовления своеобразного напитка, представляет собой на самом деле не единый организм, а сообщество, образованное вступившими в симбиоз бактериями и дрожжевыми грибами нескольких видов. Биологи дали таким объектам название SCOBY (симбиотическая культура бактерий и дрожжей, symbiotic culture of bacteria and yeast). Из грибов в «чайном грибе» наиболее часто присутствуют пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), но возможно присутствие еще около десятка видов; бактериальный компонент почти всегда включает в себя Gluconacetobacter xylinus, также встречаются другие представители семейства уксуснокислых бактерий (Acetobacteraceae). Бактерии окисляют вырабатываемые дрожжами спирты, превращая их в уксусную кислоту и другие кислоты.

Испольузя SCOBY, исследователи смогли получить целлюлозу, содержащую ферменты, которые могут выполнять множество функций, таких как определение загрязнителей окружающей среды. Они также показали, что можно включать дрожжи непосредственно в материал, создавая «живые материалы», пригодные для очистки воды или для изготовления «умных» упаковочных материалов, которые смогут обнаруживать повреждения. «Мы предвидим будущее, в котором различные материалы можно будет выращивать дома или на местных производственных предприятиях, используя биологию, а не ресурсоемкое централизованное производство», — говорит Тимоти Лу (Timothy Lu), работающий на кафедре электротехники, информатики и биологической инженерии Массачусетского технологического института.

Несколько лет назад в лаборатории Тимоти Лу научились создавать при помощи бактерии кишечной палочки биопленки, содержащие такие элементы, как золотая нанопроволока. Но продуцируемые бактериями пленки были слишком тонкими для использования их в крупномасштабных приложениях, поэтому исследователи решили обратиться к культурам дрожжей и бактерий для создания специфических материалов в большем объеме.

Тимоти Лу и его сотрудники тоже использовали пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), поскольку другие дикие типы дрожжей, встречающиеся в чайных грибах, трудно подвергать генетической модификации. В качестве бактериального компонента были использованы Komagataeibacter rhaeticus, которых ранее ученые из Имперского колледжа в Лондоне выделили из чайных грибов. Этот вид бактерий способен производить большое количество целлюлозы. В свою очередь, Saccharomyces cerevisiae, в зависимости от выбранного штамма, способны производить выбранные ферменты. В частности, эти дрожжи можно запрограммировать так, чтобы выделяемые ими ферменты связывались с загрязняющими веществами и разрушали их. Производимая бактериями целлюлоза служила основой для размещения ферментов. Чтобы вырастить такой материал, нужно всего несколько дней, а если дать бактериям и дрожжам работать долго, они способны заполнить своей продукцией целую ванну.

Для демонстрации потенциала своей микробной культуры, которую они называют «Syn-SCOBY», исследователи создали материал, содержащий дрожжи, которые чувствуют эстрадиол, женский половой гормон и компонент лекарственных препаратов, в последние десятилетия проникающий в водоемы. В другой версии они использовали штамм дрожжей, которые вырабатывают светящийся белок, называемый люциферазой, при воздействии синего света. При необходимости можно использовать другие штаммы дрожжей, которые обнаруживают другие загрязнители.

Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.