Bakterielle Hydrogele
Aktive anpassungsfähige Gele mit lebenden Organismen.
Endlich entdecken wir das Wunder der lebenden Materialien: von Menschen hergestellte Stoffe, die lebende Organismen nachahmen. Hier wurde ein weiches Hydrogel aus lebenden Bakterien so konzipiert, dass es seine Umgebung wahrnimmt und die Eigenschaften des Materials beeinflusst. Hast du schon einmal Kombucha hergestellt? Das ist ein sehr ähnlicher Prozess. Es ist ein vielseitiges lebendes Material, das für verschiedene Zwecke verwendet werden kann und sich vollständig auflöst, wenn es nicht mehr gebraucht wird.
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Eigenschaften
Was ist das Besondere daran?
Wächst unter milden Bedingungen
Lebende Organismen, wie z. B. Bakterien, besitzen die bemerkenswerte Fähigkeit, sich zu einer Vielzahl komplexer Formen zu entwickeln und sich während ihres Wachstums zu strukturieren. Im Gegensatz zu vielen modernen Materialien, die bei der Herstellung hohe Temperaturen und harsche Chemikalien benötigen, gedeihen und entwickeln sich lebende Systeme unter milden Bedingungen.
© By Samuel Wantman/Wikimedia Commons. CC BY SA 3.0
Die verschlungenen Formen der Aloe polyphylla (Spiralaloe).
Adaptive Struktur
Die Natur schafft verschiedene hervorragend strukturierte Materialien wie Seide, Holz und Knochen mit einzigartigen Eigenschaften, die wir gerne in den Materialien sehen würden, die wir im Alltag verwenden. Diese natürlichen Materialien bilden und optimieren sich in komplexen Umgebungen, die den Elementen ausgesetzt sind, ohne dass der Mensch Energie aufwenden muss.
© Material-Archiv
Knochen - leicht, stark und aussergewöhnlich widerstandsfähig.
Lebendig
Die Kraft des Gels liegt in seinen Bakterien. Diese Bakterien leben im Inneren des Gels und haben spezielle genetische Strukturen, die ihre Umgebung wahrnehmen und Proteine produzieren, um ihre Umgebung zu verändern. Das Material ist lebendig! So kann es seine Umgebung wahrnehmen, wachsen und sich anpassen. Diese einzigartigen Eigenschaften verleihen ihm bemerkenswerte Fähigkeiten und das Potenzial für unglaublich komplexe Systeme, die in der Genetik des Bakteriums verschlüsselt werden können.
In diesem Bild produzieren die gentechnisch veränderten Zellen ein grün fluoreszierendes Protein, das von einer Qualle stammt, so dass wir sie mit der Fluoreszenzmikroskopie leicht erkennen können.
Das Gel besteht aus Alginat - einem Polymer aus braunen Algen - und E. coli-Bakterien - einer Bakteriengruppe, die in der Forschung beliebt ist, weil sie leicht zu isolieren und bekannt ist. In der Natur kommen sie oft im Darm von Warmblütern vor.
Wahrnehmung der Umwelt
Die Bakterien können Temperatur, Licht oder chemische Einflüsse wahrnehmen. Als Reaktion auf die äusseren Reize verändern die Bakterien den Zustand des Hydrogels - von weich zu steif oder von klein zu gross. Die Bakterien erreichen dies, indem sie Enzyme oder Polymere produzieren, die die Struktur des Hydrogels abbauen oder verstärken. Das Material kann sich sogar von einem flüssigen in einen gelartigen Zustand verwandeln, der durch die Reaktion der Bakterien verursacht wird.
Die gleiche Art von Hydrogel im flüssigen Zustand.
Ein Bakterielles Hydrogel in seinem Zwischenzustand, zwischen Flüssigkeit und Gel.
Diese Forschung ist inspiriert von lebenden Organismen, die im Vergleich zu den üblichen Materialien, die wir verwenden, fast wundersame Fähigkeiten haben. Natürliche Systeme definieren Nachhaltigkeit, vor allem weil die Biosphäre seit Milliarden von Jahren wächst und sich fortpflanzt. Indem wir versuchen, die natürliche Entwicklung in der Produktion nachzuahmen, können wir komplexe Materialien auf eine nachhaltigere Weise herstellen.
Anwendungen
Das Pflaster der Zukunft, aber was kommt danach?
Bakterielle Hydrogele haben vielfältige Einsatzmöglichkeiten, vor allem in der Biomedizin. Sie werden bereits eingesetzt, um die Darmgesundheit zu verbessern und die Heilung infizierter Wunden durch die Aufnahme von Bakterien zu beschleunigen. Das übergreifende Ziel der Forschung ist es, bestimmte Eigenschaften und Formen zu programmieren. Es gibt jedoch noch viel darüber zu lernen, wie diese lebenden Materialien gestaltet und eingesetzt werden können. Zahlreiche Einsatzmöglichkeiten müssen noch erforscht werden. Wo würdest du anfangen?
© Morphogenèse programmable simulée à l'aide du progiciel GFtbox dans MATLAB. Kennaway, R., Coen, E., Green, A. & Bangham, A. PLOS Computational Biology 7, e1002071 (2011).
Mit Hilfe gentechnisch veränderter Bakterien könnte ein Hydrogel mit ganz bestimmten Materialeigenschaften hergestellt werden, das sich in die gewünschten Formen und Strukturen verwandeln kann, inspiriert von einem natürlichen Prozess namens Morphogenese. Die Morphogenese ist der Prozess, durch den ein Organismus seine charakteristische Form erhält. Das Spannendste daran ist, dass dies alles unter milden Bedingungen möglich ist. Welche Anwendungen kannst du dir vorstellen, zum Beispiel in der Architektur oder im Produktdesign?
Zusammensetzung
Das Bakterielle Hydrogel besteht aus Hydrogel - einem Gel aus einem Polymer, das sich nicht in Wasser auflöst, es aber binden kann - und darin lebenden Bakterienkolonien. Die Bakterien sind in den weichen Körper des Hydrogels eingebettet, der Nahrung für ihr Wachstum enthält.
Das Hydrogel besteht aus langen Polymermolekülen, die ein verschlungenes Netzwerk bilden, das in Wasser suspendiert ist und ein festes Gel bildet. Für das Hydrogel können verschiedene Materialien verwendet werden, z. B. Alginat, Hyaluronsäure und Gelatine.
Um das Material herzustellen, wird das Hydrogel mit manipulierten Bakterien wie modifizierten E.coli kombiniert. Wenn die Bedingungen stimmen, entwickeln sich die Bakterien von einfachen Kolonien zu immer komplexeren Strukturen, die sich wie ausgeklügelte, selbstregulierende Organismen verhalten, ähnlich unseren Körpergeweben und Organen.
Im Wasser befinden sich gelöste Salze und Nährstoffe für die Bakterien. Diese ermöglichen es ihnen, bei Raumtemperatur zu gedeihen und sich zu vermehren. Im Grunde genommen sind die Bakterien sowohl die Architekt:innen als auch die Konstrukteur:innen, die die ganze schwere Arbeit erledigen. Unsere Aufgabe besteht vor allem darin, ihnen die richtige Arbeitsumgebung zu bieten und ihnen gelegentlich einen Schubs in die richtige Richtung zu geben.
Herstellung
Bakterielle Hydrogele wachsen bei Raumtemperatur und normalem Druck. Nach der Kombination der Zutaten wachsen die Bakterien über mehrere Tage und bleiben am Leben, solange sie genug zu fressen haben.
Bakterielle Zellulose
Dieses Beispiel für ein bakterielles Hydrogel verwendet Zellulose produzierende Bakterien. Die Bakterien wachsen gut bei Raumtemperatur und normalem Druck. Über zehn Tage hinweg bilden die Bakterien eine Schicht aus bakterieller Zellulose an der Oberfläche der Flüssigkeit. Erinnerst du dich an den Kombucha? Das ist derselbe Prozess!
Zeitraffer der wachsenden bakteriellen Zellulose über mehrere Tage.
Lebendig, gewaschen und getrocknet
Solange die Bakterien am Leben sind, behält das Material seine Fähigkeit, sich je nach Umgebung zu verändern. Wenn die Bakterien sterben, lassen sie das Hydrogel als Material zurück. Man kann es trocknen, wobei das Polymer zurückbleibt.
Die drei Zustände des bakteriellen Hydrogels (von links nach rechts): lebendig, gewaschen und getrocknet.
Eine gewaschene Probe von bakterieller Zellulose.
Eine getrocknete Probe von bakterieller Zellulose. Nach dem Trocknen wird die Zellulose sehr zerbrechlich, ein bisschen wie dünnes, leicht durchsichtiges Papier.
Feedback
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Researcher of Bacterial Hydrogel
