Блог компании ua-hosting.company. Одной из самых острых проблем современности является экологическая картина мира, а точнее влияние на нее деятельности человека. В связи с этим проводится множество исследований, нацеленных на поиск экологичных альтернатив классическим источникам энергии и материалам. Замена пластиков на более экологичные и биоразлагаемые материалы является важной, но не единственным направлением в этой сфере. Сюда также можно отнести и труды, изучающие альтернативы классическому текстилю.

Ученые из Имперского колледжа Лондона (Великобритания) создали новый тип экокожи, выращиваемый с помощью бактерий и наделенный способностью к самоокрашиванию. Как именно происходит процесс выращивания этого материала и каковы его физико-химические характеристики? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Текстильная и кожевенная промышленности, как и многие другие, оказывают негативное воздействие на окружающую среду: выбросы парниковых газов в результате сельскохозяйственного производства и промышленной переработки, загрязнение воды в результате дубления и крашения, загрязнение микропластиком из-за распада синтетических волокон и т. д. Дабы улучшить ситуацию проводятся поиски новых устойчивых биоматериалов, к которым относится и кожа, созданная на основе мицелия и растительных волокон. Эти усилия являются успешным результатом сочетания биологического производства с инженерной и химической обработкой для переработки этих природных биоматериалов в альтернативный текстиль.

Однако отрасли еще предстоит использовать генную инженерию этих организмов, производящих материалы, чтобы воспользоваться преимуществами устойчивых методов, используемых биологическими системами для улучшения физических и эстетических свойств биоматериалов.

В области инженерии живых материалов (ELM от engineered living materials) используются инструменты синтетической биологии для перепрограммирования живых клеток на уровне ДНК для создания новых или улучшенных биоматериалов для конкретных применений. Бактериальная целлюлоза (BC от bacterial cellulose) является перспективным природным биоматериалом, наиболее эффективно продуцируемым бактериями грамотрицательного рода Komagataeibacter. В богатой углеродом среде эти бактерии полимеризуются и выделяют линейные цепи глюкозы. Эти цепи затем самособираются в плотную взаимосвязанную сеть из целлюлозных волокон. Эта целлюлозная сетка, называемая пленкой, плавает на границе раздела воздух-вода, окутывает и защищает растущие клетки, как биопленка.

Для большинства производителей на первом месте стоит не экологическая, а экономическая выгода от производства биоматериалов. BC обладает такой выгодой, так как выращивание происходит весьма быстро, дешево и устойчиво. Пленку BC можно вырастить за 7–14 дней с высокими выходами (> 10 г/л) из отходов (сок гнилых фруктов, глицерин, патока и т.д.). Кроме того, BC обладает улучшенными свойствами материала, такими как высокая прочность на разрыв, высокая водоудерживающая способность и высокая чистота.

ELM исследования бактериальной целлюлозы ранее были сосредоточены на генной инженерии Komagataeibacter и других организмов, таких как Saccharomyces cerevisiae, которые можно культивировать совместно с Komagataeibacter. Использование S. cerevisiae позволило производить пленки, способные воспринимать химические и световые раздражители и реагировать на них.

Для облегчения генной инженерии Komagataeibacter был создан и охарактеризован модульный набор инструментов для клонирования генов Komagataeibacter (KTK от Komagataeibacter tool kit) с использованием Komagataeibacter rhaeticus. В этот набор инструментов синтетической биологии входит набор модульных частей ДНК, таких как конститутивные и индуцируемые промоторы, векторы и флуоресцентные маркеры. Все это послужило основой для создания модифицированного Komagataeibacter, который может производить альтернативные полимеры, такие как хитин и гиалуроновая кислота.

Однако, как отмечают авторы исследования, несмотря на эти достижения, генную инженерию еще предстоит использовать для дальнейшего развития BC как устойчивого биоматериала в текстиле.

Биоматериалы в природе, такие как волосы и кожа, используют встроенные клетки для производства пигментов, которые окрашивают биоматериал in situ («на месте») экологически безопасным способом. Процесс, используемый при промышленной окраске тканевых материалов – крашение текстиля – требует химических реакций и наносит большой вред окружающей среде. Вдохновленные производством натуральных пигментов, авторы разработки решили создать самопигментирующийся BC материал с помощью генной инженерии K. rhaeticus.

Черный краситель — один из наиболее потребляемых красителей в мире, и его сложнее всего воссоздать с использованием экологически чистых подходов к окрашиванию. Ученые решили спроектировать биосинтез темного пигмента меланина (эумеланина) в K. rhaeticus. Эумеланин, вездесущий пигмент, встречающийся во всех биологических царствах, стабилен при высокой температуре и в течение длительного времени. Важно отметить, что эумеланин имеет низкую растворимость в воде, что способствует стойкости цвета. Кроме того, эумеланин обладает рядом других интересных свойств, таких как электропроводность, поглощение УФ-излучения и защита от ионизирующего излучения.

В рассматриваемом нами труде ученые демонстрируют, что производство пигментированной целлюлозы из K. rhaeticus может производиться в достаточно больших количествах. Кроме того, ученые описывают потенциал объединения биосинтеза меланина с другими инструментами синтетической биологии посредством оптогенетического формирования паттерна экспрессии генов в растущих BC пелликулах*.