Bacteriële sporen - de sterke overlevingsvormen die sommige bacteriesoorten kunnen aannemen - zijn een doorbraak in het onderzoek naar zogenaamde engineered living materials (ELMs). Door sporen van de bacterie Bacillus in deze ontworpen levende materialen op te nemen, is het onderzoekers Jeong-Joo Oh, Franka van der Linden, Marie-Eve Aubin-Tam en hun collega-s gelukt om levende materialen te maken die bestand zijn tegen extreme omstandigheden én te programmeren zijn om specifieke functies uit te voeren. In de toekomst kunnen deze materialen mogelijk een duurzaam alternatief bieden voor materialen gemaakt van fossiele brandstoffen. De publicatie verscheen in het tijdschrift Science Advances .
Een nat velletje van cellulose met daarin cellulose-producerende bacteriën Komagataeibacter rhaeticus en Bacillus-sporen. Credits: Jeong-Joo Oh, Aubin-Tam Lab
Deze nieuwe ELM-s groeien vanzelf en hebben een breed scala aan mogelijke toepassingen. Ze kunnen bijvoorbeeld ziektes diagnosticeren door bepaalde biomarkers te detecteren of helpen bij de afbraak van vervuilende stoffen in het milieu. Ook kunnen ze werken als zelfherstellende composietmaterialen. Dit laatste kan in de toekomst bruikbaar zijn in bouwmaterialen, vergelijkbaar met het zelfhelende beton dat door TU Delft-collega Henk Jonkers is ontwikkeld. -Stel je voor dat je bacteriën vraagt om mineralen te produceren die een scheur in beton opvullen. Dan krijg je muren die zichzelf repareren,- legt eerste co-auteur Jeong-Joo Oh uit. -Bovendien kan dit onderzoek duurzaamheid bevorderen, omdat ELM-s als milieuvriendelijker alternatief voor materialen zoals plastic kunnen dienen.-
Het bijzondere aan deze materialen is hun programmeerbare functionaliteit op afroep. De ELM-s kunnen als het ware -slapen-, extreme omstandigheden doorstaan en op commando weer wakker worden. -Gewone levende cellen hebben ook nuttige functies zoals het detecteren van bepaalde stoffen, maar ze leven meestal maar kort,- zegt Oh. -Wij wilden een materiaal dat we kunnen activeren wanneer we het nodig hebben.-
Een nat velletje van cellulose onder de microscoop. Het velletje bestaat uit cellulose-producerende bacteriën Komagataeibacter rhaeticus (gelabeld met een groen fluorescerend eiwit) en Bacillus-sporen (gelabeld met een rood fluorescerend eiwit). De beelden zijn gemaakt met een confocale microscoop. Credits: Jeong-Joo Oh, Aubin-Tam Lab
Geïnspireerd door de levenscyclus van bacteriën
-We zochten dus een manier om de cellen in leven te houden en lieten ons inspireren door de levenscyclus van bacteriën,- vervolgt Oh. Sommige bacteriesoorten kunnen overschakelen naar een rusttoestand waarin ze vrijwel geen stofwisseling meer hebben: de spore. Zo-n spore is extreem goed bestand tegen hitte, uitdroging en de invloed van chemische stoffen. -Die slaapstand maakt het mogelijk om de bacteriën weer -wakker te schuddenop het moment dat hun functies nodig zijn,- zegt Oh. -Het materiaal van gewone bacteriën moet je binnen een paar dagen of een week gebruiken. Met sporen functioneert het na zes maanden nog steeds, ontdekten we.-
Twee bacteriesoorten werken samen
Om het materiaal te maken combineerden de onderzoekers twee bacteriesoorten: Komagataeibacter rhaeticus en Bacillus subtilis. K. rhaeticus vormt sterke cellulosevezels die fungeren als een beschermende fysieke barrière, terwijl Bacillus zorgt voor de vorming van sporen. Samen leveren ze een stevig, levend materiaal op. Door de buitenkant van de sporen genetisch aan te passen konden de onderzoekers specifieke functies toevoegen én de hechting van de sporen aan de cellulose verbeteren.
Stap voor stap naar de echte wereld
Voordat we deze materialen daadwerkelijk in ons dagelijks leven kunnen gebruiken, moeten de kwaliteiten en levensduur van de ELM’s tippen aan die van bestaande materialen. Oh: -Op dit moment bevinden we ons in het stadium van een proof of concept in het laboratorium. Om deze materialen bijvoorbeeld in beton te gebruiken moeten ze even sterk zijn als de huidige bouwmaterialen. Maar deze resultaten zijn al veelbelovend. Stap voor stap hoop ik dat we niet-duurzame materialen kunnen vervangen door levende alternatieven die zichzelf onderhouden.-
Wat zijn engineered living materials (ELMs)?
Engineered living materials, ofwel ontwikkelde levende materialen (ELM’s) zijn innovatieve materialen die levende cellen gebruiken om hun functie uit te voeren. Dit zijn natuurlijke of genetisch aangepaste cellen. De cellen worden opgenomen in een ondersteunend materiaal dat van natuurlijke of synthetische bestanddelen is gemaakt. Dankzij de biologische activiteit van de cellen kunnen ELM-s signalen waarnemen, reageren op hun omgeving en zelfs zichzelf repareren.
Sinds 2020 groeit het onderzoek naar ELM’s snel. Het is een interdisciplinair vakgebied waarin microbiologie, materiaalkunde en synthetische biologie samenkomen.
Dit onderzoek is onderdeel van het door de EU gefinancierde NextSkins-project , dat gericht is op het produceren van nieuwe levende materialen. Deze ontwikkelde materialen zijn gebaseerd op een gekweekte bacteriële cellulose-matrix waarin micro-organismen zijn gehost.