只需一個培養箱和一些肉湯，研究人員就可以培育出由細菌製成的可重複使用的過濾器，以清理汙染的水、檢測環境中的化學物質並保護表面免受生鏽和黴菌的侵害。

我是一名合成生物學家，研究工程生物材料——由具有多種功能的活細胞製成的物質。在我最近發表的研究中，我對細菌進行了程式設計以形成活的材料，這些材料不僅可以針對不同的應用進行修改，而且還可以快速且易於生產。

從活細胞到可用材料

與人類細胞一樣，細菌含有提供構建蛋白質指令的 DNA。可以修改細菌 DNA 以指導細胞構建新的蛋白質，包括自然界中不存在的蛋白質。研究人員甚至可以精確控制這些蛋白質在細胞內的位置。

因為工程生物材料是由活細胞製成的，它們可以透過基因工程來執行多種功能，就像用不同的應用程式為手機程式設計一樣。例如，研究人員可以將細菌變成環境汙染物的感測器，方法是在某些分子存在的情況下改變它們的顏色。研究人員還使用細菌來製造石灰石顆粒，這種化學物質用於製造聚苯乙烯泡沫塑膠和生活光伏等。

工程生物材料面臨的一個主要挑戰是弄清楚如何誘導它們產生基質或細胞周圍的物質，從而使研究人員能夠控制最終材料的物理特性，例如其粘度、彈性和剛度。為了解決這個問題，我和我的團隊建立了一個系統來在細菌的 DNA 中編碼這個矩陣。

我們修改了新月形莖桿菌的 DNA，使細菌細胞在其表面產生由大量彈性蛋白組成的基質。這些彈性蛋白質具有相互結合並形成水凝膠的能力，水凝膠是一種可以保留大量水分的材料。

當兩個經過基因改造的細菌細胞靠近時，這些蛋白質就會聚集在一起，使細胞保持相互連線。透過用這種粘性、彈性材料包圍每個細胞，細菌細胞將聚集在一起形成活的粘液。

此外，我們可以修改彈性蛋白以改變最終材料的特性。例如，我們可以將細菌變成堅硬的建築材料，在損壞時能夠自我修復。或者，我們可以將細菌轉化為可用作產品填充物的柔軟材料。

生活物質優勢

通常，建立多功能材料非常困難，部分原因是加工成本非常昂貴。另一方面，就像一棵從種子中長出的樹一樣，生命材料是從對營養和能量需求最少的細胞中生長出來的。它們的可生物降解性和最低的生產要求可實現可持續和經濟的生產。

製造生活材料的技術簡單且便宜。只需要一個搖動培養箱、蛋白質和糖，就可以從細菌中培養出一種多功能、高效能的材料。孵化器只是一個金屬或塑膠盒，可將溫度保持在約 98。6 華氏度（37 攝氏度），遠低於傳統的家用烤箱，並且以比攪拌機慢的速度搖動細胞。

將細菌轉化為生命材料也是一個快速的過程。我和我的團隊能夠在大約 24 小時內培養出我們的細菌生物材料。與其他材料的製造過程相比，這相當快，包括可能需要數年才能生產的木材等生物材料。

此外，我們的活細菌粘液易於運輸和儲存。它可以在室溫下在罐子中存活長達三週，然後放回新鮮培養基中重新生長。這可以降低基於這些材料的未來技術的成本。

最後，工程生活材料是一種環保技術。因為它們是由活細胞製成的，所以它們具有生物相容性，或無毒、可生物降解或可自然分解。

下一步

我們的細菌生物材料仍有一些方面需要澄清。例如，我們不確切知道細菌細胞表面的蛋白質如何相互作用，或者它們之間的結合強度如何。我們也不確切知道需要多少蛋白質分子才能將細胞保持在一起。

回答這些問題將使我們能夠進一步定製具有不同功能所需品質的生活材料。

接下來，我計劃探索種植不同型別的細菌作為生命材料，以擴大它們的應用範圍。對於不同的目的，某些 型別 的細菌比其他型別的細菌更好。例如，一些細菌在特定環境中存活最好，例如人體、土壤或淡水。另一方面，有些可以適應不同的外部條件，如不同的溫度、酸度和鹽度。

透過有多種細菌可供選擇，研究人員可以進一步定製他們可以創造的材料。