由細菌製成的類似塑料的材料製成 圖片來源：Ruby Wallau
在過去的一個多月裡，全中國人民一直在共同抗擊疫情：醫護人員奔赴一線，熱心企業馳援武漢，普通百姓捐出愛心.....
在這場關乎生死的考驗裡，我們創造並見證了許多奇蹟，其中之一就是“中國速度”——短短十幾日，火神山、雷神山等醫院便緊急搭建完成。而這速度的背後是無數工人們的辛勤汗水和夜以繼日。
在此，再次向所有在一線為抗擊疫情奮鬥的人們致敬！
而火神山或者雷神山的故事也告訴我們危急情況下，應急設施建設的重要性。那麼，是否有辦法可以像細胞分裂一樣指數級搭建建築呢？是否有可能像培養細菌一樣給了原材料就讓道路自己“長”出來呢？
這聽起來像是科幻小說，但其實這些想法是有可能被實現的，實際上，已經有很多科學家開始利用微生物來幹一些匪夷所思的事情了。
今天我們特別編譯發表在 Science雜誌上關於利用微生物製造材料的文章並結合相關報道撰寫此文。
希望該文能夠為各位讀者帶來一些關於微生物應用的新啟發與新見解，同時也期待更多關於微生物全新應用的出現以造福人類。
工程活體材料ELM
在科羅拉多大學（位於博爾德）Wil Srubar 的實驗室中，有一種特殊的磚塊，它們不僅是活著的，而且還可以複製或者說繁殖。
這些磚塊是由細菌製造出來的，這些細菌可以將沙子、營養物質和其它原材料轉化成一種生物水泥，就像珊瑚合成珊瑚礁那樣。你可以把一塊磚劈開，幾個小時後，它就會自動“生長”成兩塊磚塊。
這項研究屬於一個神奇的領域——工程活體材料（Engineered living materials， ELM）。
工程活體材料的設計模糊了邊界。人們使用細胞，其中大部分是微生物，來建造結構物質。
長期以來，人類都在從微生物那裡獲取化學物質，比如酒精和藥物。但是 ELM 的研究人員卻想要讓微生物來建造物體。
東北大學的 ELM 專家 Neel Joshi 說：“細胞是驚人的製造工廠，我們正在嘗試使用這些細胞去生產我們想要的東西。”
Joshi 的團隊正在訓練細胞以產生可以替代塑料或用於醫學治療的材料。
其團隊憑藉該想法從近 800 名參賽者中脫穎而出，成為美國國家學科學基金會所組織的 2026 Idea Machine 比賽的四位大獎獲得者之一。該比賽旨在尋求“巨大挑戰”來幫助制定美國未來幾年的研究方向。
Joshi 說，利用細菌建造材料的方法其實並不像看起來那麼瘋狂，因為生物製造工業已經使用微生物製造了維生素、香料、藥物和其他有用的分子，活細胞也已經創造出了一些更大的材料。
事實上，現在一些餐廳裡的可降解塑料就是利用微生物產生的聚合物所製成的，甚至一些傢俱的材料，硬化水泥或者類似木材的替代材料，也是利用微生物製造的。
目前，越來越多的科學家開始嘗試利用微生物來製造材料。而且一些材料還會像開頭所提的 Srubar 實驗室製造的磚塊那樣，最終仍存有活細胞，以發揮出驚人的功能。
在德國莎兒布呂肯（Saarbruken）舉辦的 2020 年生活材料會議上，已經出現了能夠自行建造的機場跑道和在體內生長的活繃帶。
那麼，這些微生物究竟是如何製造這些不可思議的材料的呢？
在 Srubar 實驗室中，用活體建築材料做成的拱門
細菌跑道和“活”磚塊
我們先從磚塊講起。
磚塊的傳統制作方法是：將粘土、沙子、石灰和水混合，制模並在 1000℃ 以上的溫度中燒製。這種方法會消耗大量的能量並且造成每年數億噸的碳排放。
而位於北卡羅來納州首府羅利（Raleigh）的 bioMASON 公司是探索利用細菌代替熱能的第一批公司之一。他們所利用的原理是：微生物可以將營養物質轉化為碳酸鈣，在室溫下使沙子硬化，成為堅固的建築材料。
目前，還有幾個研究團隊正在嘗試讓這種想法走得更遠。
美國海軍研究實驗室的微生物學家和 ELM 專家 Sarah Glaven 這樣問道：“可不可以將細菌混合到沙子和明膠中來產生臨時跑道？”
2019 年 6 月，俄亥俄州的賴特-帕特森空軍基地的研究團隊做到了。他們製造了一條 232 平方米的跑道原型。
美國國防高級研究項目局 ELM 項目負責人 Blake Bextine 說，他們最終希望不再需要運送成噸的材料來建立遠征空軍基地，取而代之的是軍事工程師們只需要使用當地的沙子、礫石和水，再加上幾桶用於製造水泥的細菌就可以在幾天內建造新的跑道。
不過上述所說的磚塊和搭建機場跑道的水泥的最終結構中沒有活細胞，但是 Srubar 的研究團隊正在以這個目標作為接下來的行動方向。
Srubar 的團隊嘗試在磚塊中保留活細胞以幫助磚塊進行“自我複製”。
研究人員將包含營養物質的凝膠同沙子和細菌一起培養來產生碳酸鈣。接著，他們通過控制溫度和溼度以保持微生物的活性。
然後，研究者們將磚塊變成兩半，添加額外的沙子，水凝膠和營養物質，在 6 小時內就可以觀察到在微生物的作用下長出了兩塊全尺寸的磚塊。三代後，就可以得到 8 塊磚。
一旦細菌完成了磚塊生產，就可以關掉溫度和溼度的控制，Srubar 稱之為“指數材料製造”。該項研究結果發表在 1 月 15 號的 Matter期刊上。
Neel Joshi 正在訓練細胞以構建可以替代塑料或用於醫學治療的材料 圖片來源： RubyWallau
“人造”生物膜：抗病解毒
ELM 的製造者們也正在利用微生物來生產可供人體使用的生物材料。
微生物分泌的天然蛋白質可以將微生物細胞結合在一起，形成物理支架。然後，更多的細菌可以黏附在上面，形成“共有微生物墊”，也就是生物膜。生物膜在牙齒表面和船的表面都有發現。
Joshi 的研究團隊開發了一種生物膜，可以保護飽受胃潰瘍折磨、患有炎症性腸炎患者的腸道。在 2019 年 12 月 6 日發行的Nature Communications上，他們報道了一種工程大腸桿菌，這種細菌可以在小鼠的腸道中產生蛋白質並形成保護性的基質，保護組織免受引起潰瘍的化學物質的影響。
如果這種方法在人體中起作用，那麼，內科醫生就可以把這種工程微生物移植到患者的腸道內。
在其他醫療方面，細菌可以將傳統材料轉化為天然抗菌材料。 例如，在 2019 年 12 月 2 日的Nature Chemical Biology雜誌上，麻省理工學院的 Christopher Voigt 和他的同事們發表了一項研究，他們利用可由細菌不斷產生的細菌孢子來生產塑料。
而由於微生物能夠合成一種抗菌物質，所以這種塑料可以有效抑制具有感染性的金黃色葡萄球菌。
由上海科技大學鍾超團隊主導的一項研究，開發了另一種具有完全不同功能的工程生物膜：淨化環境。
他們從一種可以分泌名為 TasA 基質形成蛋白質的細菌——枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）開始。在其他的研究中已經發現通過基因工程，TasA 可以很容易的同其他蛋白質結合。
於是，該研究團隊對 TasA 蛋白進行了改造，使之能夠與一種可降解有毒工業物質 MHET（也被稱為 mono ，2-hydroxyethyl terephthalic acid）的酶結合。
然後，研究人員證明了工程菌產生的生物膜可以降解 MHET。
而且研究還發現由兩種枯草芽孢桿菌構成的混合工程細菌產生的生物膜能夠通過兩步降解法降解一種叫做對氧磷的有機磷酸酯農藥。
該研究小組在 2019 年 1 月的 Nature Chemical Biology上發表了這一結果，該研究提出了使用活性牆壁淨化空氣的可能。
不過，該研究中涉及的監管問題可能會減緩該方向的發展。
ELM 研究人員使用的大多細菌都是自然界中存在的，應該不會觸發監管審查。但是，基因工程微生物以及未來在活性牆壁中包埋的工程微生物可能會引起監管機構的注意。
儘管如此，Voigt 仍然預測：“我認為在 10 年內，我們將會在更多活體材料中發現活細胞。”
圖片來源：LivingMaterials Laboratory Srubar Research Group
一切才剛開始
生物體非常擅長將一種形式有用的東西轉換為另一種形式，並重複利用相同的原材料來製造其他東西。而生物製造的材料或許能夠為環境保護帶來更革命性的變化，比如塑料所帶來的汙染問題。
目前，我們每年生產約 3 億噸塑料，其中絕大部分沒有回收。塑料不會在環境中真正分解，研究人員正在尋找解決塑料廢物日益嚴重問題的方法。而細胞製成的材料更有可能被生物降解。
一直致力於創造生物塑料的 Avinash Manjula Basavanna 說道：“從自然界學習一直是這個領域研究的一部分。而且，該研究方向比典型的仿生技術要領先一步，我們正在研究生物，根據需求定製材料。”
或許，在未來的 10 年裡，我們會開始嘗試使用微生物生產不同用途的材料，這將超出我們的想象範圍。
細菌機場跑道也好，“活”磚頭也好，這一切都僅僅是個開始。
核心部分編譯自：Service, R. F. "In'living materials,'microbes are makers."Science (New York, NY) 367.6480 (2020): 841.
參考資料：https://news.northeastern.edu/2020/02/05/could-houses-of-the-future-be-made-by-bacteria/
作者｜RobertF. Service
編譯｜gemiu
審校｜617
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