Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего придумали, как создавать «живые материалы» — гибриды синтетических полимеров и микроорганизмов, способные очищать воду, заживлять раны или восстанавливаться после повреждений. Их метод позволяет использовать гораздо больше видов полимеров, чем раньше, потому что теперь живые клетки добавляют не до, а после затвердевания материала.

Результаты опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Раньше бактерии приходилось встраивать в полимер на этапе его формирования, а значит, материал не мог быть токсичным. Новый подход проще: сначала создают основу, а потом, когда она набухает в питательном растворе, в нее проникают цианобактерии. Более того, по мере роста они меняют форму материала.

Цианобактерии — микроорганизмы, способные к фотосинтезу, как растения. Они превращают солнечный свет в энергию, выделяя кислород, и могут быть генетически изменены для производства полезных веществ — от антибиотиков до биотоплива.

Мы впервые показали, что диффузия — рабочий способ создания таких материалов, — говорит Лиза Танг, соавтор исследования. — Теперь можно использовать полимеры, которые раньше были неприменимы из-за токсичности.

В эксперименте взяли термочувствительный полимер, который сжимается при нагревании до 37°C, как губка, а при охлаждении снова впитывает воду.

В него поместили цианобактерии, и те не только выжили, но и изменили свойства материала: со временем он стал мягче и деформировался.

Оказалось, бактерии выделяют фермент, который частично разрушает полимер.

Такие неожиданные открытия — повод глубже изучать динамичные системы, как эти живые материалы, — добавляет Нейтан Сулье, другой соавтор работы.

Цианобактерии — идеальные кандидаты для таких материалов: их можно генетически модифицировать, чтобы они производили нужные вещества или, например, разлагали загрязнители. А поскольку они питаются солнечным светом, их использование делает технологию еще более устойчивой.

Фотосинтезирующие организмы в материалах — это способ превратить солнечную энергию во что-то полезное, — говорит профессор Джинхэ Бэ. — Нам нужны альтернативы, которые не истощают ресурсы, и тут живые материалы — многообещающий путь.

Теперь команда планирует изучить, как цианобактерии взаимодействуют с разными полимерами, и создать материал, реагирующий на несколько внешних факторов сразу.

Этот метод открывает двери для массового применения «живых материалов»:

• Медицина — повязки, выделяющие кислород для заживления ран, или импланты, которые адаптируются под ткани.
• Экология — биопластики, разлагающие загрязнители в воде, или покрытия для зданий, поглощающие CO₂.
• Робототехника — мягкие актуаторы, меняющие форму под действием света.

Главный плюс — дешевизна и автономность: бактерии сами поддерживают систему, не требуя сложного обслуживания.

Неясно, как долго бактерии остаются активными в материале и как на них влияют перепады температуры или УФ-излучение в реальных условиях. Если цианобактерии погибнут, материал потеряет «живые» свойства. Также фермент, разрушающий полимер, может сократить срок службы таких разработок.

Ранее ученые создали восстанавливающийся бетон.