Строить дома будут бактерии. Как ученые превратили клетки в микрофабрики по производству материалов - «Архитектура»

Устройство зданий похоже на строение человеческого тела: они имеют кости (остов) и кожу (стены), способны «дышать», потребляют энергию, регулируют температуру и образуют отходы. Дома – это организмы, хотя и неодушевленные.

Но что, если бы здания реально создавались на органической основе – строились, обслуживались и ремонтировались за счет живых материалов? Представьте себе архитекторов, использующих генетические инструменты, кодирующие архитектуру здания прямо в ДНК организмов, которые затем выращивают дома, способные к самовосстановлению, взаимодействию с обитателями и адаптации к окружающей среде.

«Живая архитектура» перемещается из области научной фантастики в лабораторию, где ученые превращают клетки в микроскопические фабрики. В университете Колорадо в Боулдере Уилл Срубар (Wil Srubar) возглавляет Living Materials Laboratory, где вместе с коллегами в области биохимии, микробиологии, материаловедения и структурной инженерии используют наборы инструментов синтетической биологии для создания бактерий, продуцирующих полезные минералы и полимеры и превращающих их в живые строительные блоки, которые в один прекрасный день могут оживить и здания.

В одном из исследований, опубликованном в Scientific Reports, ученые рассказывают о создании штамма бактерии E.coli, который способен производить частицы известняка различной формы, размеров, прочности и вязкости. В другом исследовании они показали, что кишечная палочка может быть генетически запрограммирована для производства стирола – химического вещества, используемого для получения пенополистирола, более известного как пенопласт.

В новой научной работе, чтобы «вырастить» структурный строительный материал, исследователи использовали фотосинтетические цианобактерии, которые при этом оставались живыми. Подобно водорослям, цианобактерии – это зеленые микроорганизмы, скопления которых можно часто наблюдать на стенках аквариумов. Эти живые организмы используют CO2 и солнечный свет для роста и в правильных условиях создают биоцемент, который использовался учеными для связки частиц песка вместе и создания «живых кирпичей».

Поддерживая в бактериях жизнь, команда Срубара сумела наладить производство стройматериалов в геометрической прогрессии. Ученые взяли один живой кирпич, разделили его пополам и вырастили из половинок два целых кирпича. Из получившихся двух кирпичей вырастили четыре, и так далее. Вместо того, чтобы создавать по одному кирпичу за раз, они использовали экспоненциальный рост бактерий, демонстрируя совершенно новый метод производства материалов.

Кроме того, для возведения живых зданий потребуется меньше энергии, чем при стандартном подходе. Производство и транспортировка современных строительных материалов очень энергозатратна и выделяет много CO2. Например, чтобы сделать цемент для бетона обжигается известняк. Металлы и песок добываются и переплавляются для производства стали и стекла. На производство, транспортировку и сборку строительных материалов приходится 11% мировых выбросов CO2. Один лишь только цемент вносит свои 8%. В то время как альтернатива в виде эко-кирпича с цианобактериями, может на самом деле поглощать CO2.

Группы исследователей со всего мира демонстрируют огромный потенциал биотехнологий в самых разных областях, включая электропроводящие биопленки, одноклеточные живые катализаторы для реакций полимеризации и живые фотоэлементы. Микробиотические материалы заменяют пластик в бытовой электронике, светящиеся растения выполнять роль ламп в экологичных домах, создан даже строительный материал из текстиля и бактерий.

Несмотря на то, что отдельные клетки часто имеют размер менее микрона – одну тысячную миллиметра – достижения в области биотехнологии и 3D-печати позволяют коммерчески производить живые материалы в промышленном масштабе. Например, компания Ecovative выращивает пенистые материалы с использованием грибного мицелия. Biomason производит биоцементированные блоки и керамическую плитку с использованием микроорганизмов. Хотя эти продукты становятся безжизненными в конце производственного процесса, исследователи из Технологического университета Делфта разработали способ инкапсулирования живых бактерий в многослойные структуры, которые со временем могут наделять бетон свойством самовосстановления.

Область строительной биоинженерии находится в зачаточном состоянии, и необходимы дальнейшие исследования и разработки для перехода из лабораторий на стройплощадки. Нужно решить еще много вопросов, связанных со стоимостью, тестированием, сертификацией и коммерциализации производства. Отдельная проблема – восприятие потребителя. Например, сейчас строительная индустрия негативно воспринимает живые организмы, в числе которых может быть плесень, пауки, муравьи и термиты. Но ученые надеются изменить ситуацию, одновременно улучшив безопасность и уменьшив биологическое загрязнение.

«Если бы у человечества был пустой ландшафт, как бы люди строили? Обладая научными знаниями, я уверен, что в будущем мы не будем сжигать известняк для производства цемента, плавить руду для производства стали или песок для производства стекла. Вместо этого, я полагаю, что мы скорее обратились бы к биологии, чтобы строить и стирать границы между нашей искусственной средой и живым, естественным миром», - говорит Срубар.

Источник: theconversation.com