加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发出一种新型材料，可以提供一种可持续的、环保的解决方案来清洁水中的污染物。
它被称为“工程生物材料”，是一种3d打印结构，由海藻聚合物和细菌结合而成，这些细菌经过基因工程改造，可以产生一种酶，将各种有机污染物转化为良性分子。这些细菌还被设计成在茶碱分子存在的情况下自我毁灭，茶碱通常存在于茶和巧克力中。这提供了一种在他们完成工作后将他们清除的方法。
研究人员在《自然通讯》上发表的一篇论文中描述了这种新的去污材料。
“创新之处在于将聚合物材料与生物系统相结合，创造出一种有生命的材料，这种材料能够以常规合成材料无法做到的方式发挥作用并对刺激做出反应，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授乔恩·波科尔斯基(Jon Pokorski)说，他是这项研究的共同负责人。
这项工作是由加州大学圣地亚哥分校材料研究科学与工程中心(MRSEC)的工程师、材料科学家和生物学家合作完成的。多学科团队的联合首席研究员包括分子生物学教授苏珊·戈尔登和詹姆斯·戈尔登以及纳米工程教授陈少琛。
“这次合作使我们能够运用我们在蓝藻的遗传学和生理学方面的知识来创造一种活的材料，”生物科学学院的教员苏珊·戈尔登(Susan Golden)说。“现在我们可以创造性地思考为蓝藻注入新的功能，以制造更有用的产品。”
为了在这项研究中创造出有生命的材料，研究人员使用了海藻酸盐，一种从海藻中提取的天然聚合物，将其水化制成凝胶，并将其与一种水生光合细菌蓝藻混合。
这种混合物被送入3D打印机。在测试了各种3d打印几何形状的材料后，研究人员发现网格状结构是保持细菌存活的最佳结构。所选择的形状具有较高的表面积体积比，这使得大多数蓝藻靠近材料表面以获取营养物质，气体和光线。
增加的表面积也使材料更有效地去污。
作为一项概念验证实验，研究人员对材料中的蓝藻进行了基因改造，使其不断产生一种名为漆酶的去污酶。研究表明，漆酶可用于中和多种有机污染物，包括双酚a (BPA)、抗生素、药物和染料。
在这项研究中，研究人员证明，他们的材料可以用来净化染料污染物靛蓝胭脂红，这是一种蓝色染料，在纺织工业中广泛用于给牛仔布上色。在试验中，这种材料在含有染料的水溶液中脱色。
研究人员还开发了一种在污染物被清除后消除蓝藻的方法。他们对细菌进行基因改造，使其对一种叫做茶碱的分子产生反应。这种分子会引发细菌产生一种破坏细胞的蛋白质。
波科尔斯基说:“这种活性物质可以作用于感兴趣的污染物，然后添加一种小分子来杀死细菌。”“通过这种方式，我们可以减轻对环境中存在转基因细菌的任何担忧。”
研究人员指出，一个更好的解决方案是让细菌在不添加化学物质的情况下自我毁灭。这将是未来研究的方向之一。
“我们的目标是制造对环境中已经存在的刺激做出反应的材料，”Pokorski说。
“我们对这项工作可能带来的可能性感到兴奋，我们可以创造出令人兴奋的新材料。这种研究是材料和生物科学领域跨学科专业知识的研究人员联合起来的结果。这一切都要归功于我们在加州大学圣地亚哥分校MRSEC的跨学科研究小组。”
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