在人類建造的物質(zhì)世界中,，生物為我們的吃穿住行的方方面面提供了大量材料，比如我們將樹木制成建筑材料,，將棉花制成紡織品,，將微生物通過(guò)生物工程的改造用于燃料、藥物等許多東西的制造中……

近年來(lái),，材料學(xué)和合成生物學(xué)開始出現(xiàn)了一個(gè)新興的研究領(lǐng)域,，從事這類新研究的科學(xué)家試圖通過(guò)工程改造細(xì)胞和微生物等，創(chuàng)造出一系列具有活體特征的“工程活體材料（engineered living materials, ELM）”,，使它們能夠具有自我復(fù)制,、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù),、響應(yīng)環(huán)境和自我維持等功能,。

最近，帝國(guó)理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院的研究人員從一種發(fā)酵茶中獲得靈感,，發(fā)展出了一種制造這些活體材料的新方法,，并創(chuàng)造出了可用來(lái)凈化和過(guò)濾水“活體物質(zhì)”。這項(xiàng)研究發(fā)表于近期的《自然·材料》上,。

過(guò)去,，有研究利用大腸桿菌和絲狀真菌等非食物微生物培育出了ELM，但這種技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)ELM上面臨挑戰(zhàn),，使得ELM無(wú)法得到廣發(fā)使用,。比如2014年，麻省理工學(xué)院的電氣工程和生物工程教授Timothy Lu就利用大腸桿菌,，生成了嵌入如金納米線等材料中的生物膜,。然而，這些膜非常小且薄,，難以被投入到大多數(shù)的大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景中,。

而新研究則受到了一種發(fā)酵紅茶——康普茶（Kombucha）的啟發(fā)，找到了一種新的利用微生物來(lái)生產(chǎn)ELM的方法,?？灯詹枋墙炅餍械囊环N“網(wǎng)紅”飲料，它是用紅茶,、糖水加酵母菌種發(fā)酵而制成的茶飲,，也被稱作為紅茶菌。

紅茶菌是許多不同類型的細(xì)菌和酵母的混合物,，這些混合物被簡(jiǎn)稱為SCOBY,，意為“細(xì)菌和酵母的共生培養(yǎng)”（symbiotic culture of bacteria and yeast）,，通常含有一種細(xì)菌和一種以上的酵母菌。SCOBY就宛若是一座座發(fā)酵工廠,，可以生產(chǎn)乙醇,、纖維素、醋酸等,，賦予康普茶以獨(dú)特的風(fēng)味,。

研究人員想要?jiǎng)?chuàng)造一種類似康普茶的微生物種群，來(lái)發(fā)展出大規(guī)模生產(chǎn)ELM的潛力,。

 利用類似于康普茶中的細(xì)菌和酵母,，可以創(chuàng)造出“活體材料”。| 圖片來(lái)源：Tzu-Chieh (Zijay) Tang

由于大多數(shù)用于發(fā)酵的野生酵母菌株都難以進(jìn)行基因改造,，因此在新的研究中,，研究人員采用了一種被稱為釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的實(shí)驗(yàn)室酵母菌來(lái)替代野生酵母，然后將釀酒酵母和一種叫做Komagataeibacter rhaeticus的細(xì)菌結(jié)合起來(lái),。Komagataeibacter rhaeticus是一種由帝國(guó)理工學(xué)院的生物工程教授Tom Ellis于幾年前從康普茶中分離出的細(xì)菌,，這種細(xì)菌能產(chǎn)生大量的纖維素。

在實(shí)驗(yàn)中,，研究人員采取的策略是先專注于對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行改造,。釀酒酵母是一種被廣泛使用的實(shí)驗(yàn)室酵母菌株，研究人員可以輕易地采用生物工程技術(shù)來(lái)修改它們的細(xì)胞,，使其具有各種可能的功能,。與此同時(shí)，培養(yǎng)皿中的Komagataeibacter rhaeticus細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生大量堅(jiān)韌的纖維素,。

在實(shí)驗(yàn)中,，研究人員通過(guò)設(shè)計(jì)，可以做到控制酵母本身是否融入到纖維素結(jié)構(gòu)中,，或者是控制由酵母生產(chǎn)的酶是否進(jìn)入纖維素結(jié)構(gòu)中,。

 研究人員掀起一張工程活體材料，它是一張堅(jiān)韌的纖維素,，可以嵌入酶或活細(xì)胞,。| 圖片來(lái)源：Tzu-Chieh (Zijay) Tang

通過(guò)使用酵母和細(xì)菌的混合物，研究人員成功生產(chǎn)了嵌有可以執(zhí)行各種功能的酶的纖維素,，例如能夠感應(yīng)環(huán)境中的污染物,，能夠在黑暗中發(fā)光，甚至能夠分解環(huán)境中的污染物,。未來(lái),，人類甚至可以通過(guò)這種方法來(lái)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，比如代謝不足的患者可以通過(guò)飲用能產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)素,、釋放治療性蛋白的發(fā)酵茶而獲益,。

此外,，采用這種方法，只需短短幾天的時(shí)間,，ELM就會(huì)形成,。隨著放置的時(shí)間越長(zhǎng)，它會(huì)成長(zhǎng)得越厚,，甚至達(dá)到可占據(jù)一個(gè)浴缸那么大的空間的程度,，實(shí)現(xiàn)了ELM的大規(guī)模生產(chǎn)。

 圖片來(lái)源：Imperial College London

目前,，ELM技術(shù)中涉及的微生物培養(yǎng)需要訓(xùn)練有素的專業(yè)人員和嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,，這阻礙了公眾對(duì)這種技術(shù)的可及性,。而新方法所涉及的操作非常簡(jiǎn)單,，理論上幾乎每個(gè)人在自己的廚房就能做到。Lu教授說(shuō)：“我們預(yù)見(jiàn)到這樣一個(gè)未來(lái),，通過(guò)生物技術(shù),，而不是資源密集型的集中式制造，很多不同的材料將可以在家里或者當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)設(shè)施中制造出來(lái),?！?/span>