Ученые создали одежду из живых грибов, способную к самоочищению и биологическому ремонту

Синтетические ткани наносят существенный урон окружающей среде. Производство полиэстера и нейлона основано на переработке нефти, процессы их окрашивания требуют применения токсичных химикатов, а сама одежда в процессе носки и утилизации выделяет микропластик.

В качестве экологичной альтернативы исследователи давно рассматривают мицелий — подземную волокнистую сеть грибов. Однако существующие методы производства материалов из мицелия имеют принципиальный недостаток. Чтобы получить прочное и стабильное полотно, выращенные грибные структуры подвергают жесткой сушке, нагреву или обработке сшивающими химическими реагентами. В результате клетки гриба погибают. Полученный материал становится неживой биомассой, полностью теряя главные свойства живых организмов: способность адаптироваться к внешней среде, реагировать на раздражители и восстанавливаться при повреждениях.

Ученые из Шэньчжэньского института синтетической биологии разработали метод изготовления прочного и гибкого текстиля, который сохраняет клетки гриба живыми. В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, они описали технологию создания биотекстильной платформы на основе гриба кордицепс (Cordyceps militaris). Материал не только сохраняет жизнеспособность, но и позволяет встраивать новые функции с помощью генетически модифицированных микроорганизмов-партнеров.

Технология производства и решение проблемы хрупкости

При создании материалов из живых клеток ключевая сложность заключается в совмещении высокой механической прочности с сохранением процессов жизнедеятельности внутри матрицы. Нитчатые грибы хорошо подходят для формирования объемных структур благодаря способности гиф (грибных нитей) переплетаться и образовывать непрерывные сети.

Чтобы получить ровное полотно, исследователи изменили стандартный способ выращивания грибов. Вместо формирования плотной пленки на поверхности жидкости споры Cordyceps militaris поместили в жидкую питательную среду внутри постоянно перемешиваемых колб.

В таких условиях гриб растет не сплошным слоем, а образует множество одинаковых шарообразных гранул (пеллет). Экспериментальным путем ученые подборкой параметров установили оптимальные условия культивирования:

• Концентрация спор: 1 миллион на миллилитр среды.
• Кислотность среды: pH 8.
• Температура: 24 °C.
• Время выращивания: 72 часа.

Сформированные гранулы содержат большое количество полисахаридов — хитина и альфа/бета-глюканов, составляющих основу клеточных стенок гриба. Гранулы отфильтровывают от жидкой среды, укладывают в формы нужной конфигурации и высушивают при мягкой температуре 45 °C в течение 6 часов. При удалении воды гифы сближаются, а между молекулами полисахаридов образуются многочисленные водородные связи, скрепляющие материал в единое целое.

Однако высушенный грибной материал без добавок получается избыточно жестким и хрупким. При механической нагрузке густая сеть жестких водородных связей между цепями хитина не позволяет волокнам смещаться, что приводит к образованию трещин и разрыву.

Чтобы решить эту проблему, в структуру материала ввели пластификатор — глицерин. Компьютерное моделирование взаимодействия молекул показало механизм его работы. Молекулы глицерина проникают между цепями хитина и глюкана, образуя связи с полисахаридами и частично разрушая жесткие межцепные связи самого грибного каркаса. Это дает цепям возможность скользить относительно друг друга при натяжении.

Эксперименты с разной концентрацией глицерина показали следующие результаты:

1. Вариант без глицерина: материал имеет высокую пористость, покрывается микротрещинами и легко ломается при изгибе.
2. Вариант с 10% глицерина (маркировка GL10): достигается оптимальный баланс. Растяжимость материала увеличивается на 50% по сравнению с необработанным контролем без потери прочности.
3. Варианты с высокой концентрацией (более 50%): материал становится слишком мягким, теряет форму и способность удерживать нагрузки из-за расслоения фаз.

Образцы ткани GL10 можно сгибать, скручивать, складывать в сложные фигуры и связывать в узлы без разрушения структуры. Плетеный шнур из четырех полос этого материала толщиной 1,8 миллиметра и шириной 1 миллиметр успешно удерживает груз массой 1 килограмм.

Материал также продемонстрировал высокую химическую и термическую стойкость. Погружение образцов на 24 часа в различные растворители (гексан, этанол, ацетон, растворы кислот и хлороформ) не вызвало разрушения структуры. Термогравиметрический анализ показал, что материал сохраняет стабильность при нагреве до 200 °C, а разрушение органических компонентов начинается только выше этой температуры.

Модульное окрашивание: союз гриба и пекарских дрожжей

Окрашивание традиционных тканей требует большого количества воды и химических закрепителей. Авторы работы создали технологию биологического окрашивания прямо в процессе формирования материала.

Вносить изменения в геном самого гриба Cordyceps militaris тяжело из-за сложности его генетической структуры. Поэтому авторы разделили задачи: гриб создает прочный каркас, а за окрашивание отвечают вспомогательные микроорганизмы — обычные пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae.

Чтобы дрожжевые клетки не вымывались из грибной матрицы, их генетически модифицировали. В геном дрожжей встроили код специального белка — хитин-связывающего домена (ChBD2), полученного из глубоководного микроорганизма Thermococcus kodakarensis. Этот белок выводится на внешнюю мембрану дрожжевой клетки и избирательно прочно связывается с хитином, из которого состоят стенки гиф кордицепса.

Прочность этого соединения проверили воздействием ультразвука мощностью 240 Вт в течение 6 часов:

• Обычные дрожжи без модификации смылись с грибных волокон на 82%.
• Дрожжи с хитин-связывающим доменом ChBD2 сохранили 75% клеток, прочно прикрепленных к поверхности гиф.

Для создания цветовой палитры исследователи сконструировали четыре штамма дрожжей:

• Голубой цвет: штамм вырабатывает фермент альфа-галактозидазу, который превращает добавленный субстрат в синий пигмент.
• Красный цвет: штамм вырабатывает фермент бета-лактамазу.
• Оранжевый цвет: штамм самостоятельно синтезирует бета-каротин за счет встроенной цепочки генов.
• Фиолетовый цвет: штамм самостоятельно синтезирует пигмент виолацеин.

Смешивая эти штаммы дрожжей в разных пропорциях и добавляя их к грибным пеллетам перед сушкой, исследователи получили ткани с настраиваемыми оттенками — от розоватого до темно-фиолетового. При этом физические испытания показали, что присутствие дрожжевых клеток внутри матрицы не снижает механическую прочность текстиля: прочность на разрыв и упругость образцов с дрожжами практически не отличались от показателей чистой грибной ткани.

Реакция на внешнюю среду и способность к самовосстановлению

Поскольку клетки Cordyceps militaris внутри пластифицированного материала остаются живыми, ткань сохраняет способность реагировать на внешние воздействия.

Формирование самоочищающихся поверхностей

Если на отдельные участки готовой сухой ткани нанести капли питательного раствора, спящий мицелий возобновляет рост. Гриб начинает выносить гифы наружу, образуя на поверхности тонкий вертикальный ворс.

Этот слой меняет физические свойства поверхности. Измерения показала, что угол контакта между каплей воды и обработанной поверхностью составляет около 145 градусов. Вода не может впитаться в структуру: капли принимают сферическую форму и легко скатываются при малейшем наклоне, забирая с собой частицы грязи. Это обеспечивает эффект самоочищения без нанесения фторсодержащих или иных химических водоотталкивающих покрытий.

Защита от ультрафиолетового излучения

Для придания ткани защитных свойств ученые использовали сокультивирование с другим нитчатым грибом — Aspergillus niger. На поверхность сформированной ткани методом распыления нанесли споры этого гриба вместе с питательным раствором.

Прорастая по поверхности, Aspergillus niger образует слой гиф, содержащих естественный темный пигмент меланин. Меланин эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение и нейтрализует свободные радикалы.

Эффективность защиты протестировали в жестких условиях: образцы поместили под бактерицидную ультрафиолетовую лампу мощностью 30 Вт (длина волны 254 нм) на 3 часа. Споры грибов, находившиеся под защитным слоем меланина, полностью сохранили жизнеспособность и проросли после помещения в инкубатор. Споры без защитного покрытия после такого же облучения погибли.

Механизм самовосстановления

Живой статус материала позволяет ремонтировать повреждения за счет естественного роста клеток. При образовании порезов или сквозных отверстий на поврежденное место наносят порцию свежих влажных пеллет C. militaris и добавляют капли воды.

За счет глицерина и образования новых водородных связей свежие пеллеты фиксируются в зоне разреза. Под действием влаги мицелий начинает расти, проникает в структуру поврежденного участка и сращивает края. Проведенные испытания на растяжение показали:

• Восстановленный участок полностью сохраняет непрерывность структуры.
• После проведения 10 последовательных циклов «нанесение пореза — самовосстановление» ткань сохраняет около 89% своей первоначальной прочности на разрыв.
• Восстановленные участки сохраняют высокую гидрофобность (угол контакта с водой порядка 145 градусов).

Полный цикл разложения и производственные ограничения

Чтобы продемонстрировать возможность практического использования биотекстиля, авторы создали прототип женского платья, собранный из 20 отдельных модулей. В конструкции комбинировались детали из синей ткани со встроенными дрожжами, элементы с ворсистым узором из гиф на воротнике и гидрофобные детали на подоле.

Важным этапом исследования стала оценка экологических характеристик материала на всех этапах — от выращивания сырья до утилизации.

Испытания на скорость биологического разложения проводились путем зарывания образцов в естественную почву при умеренной влажности и температуре от 22 до 26 °C. Благодаря тому, что основу материала составляют природные полисахариды (хитин и глюканы), почвенные бактерии и грибы полностью разрушили структуру ткани за 41 день. Обычные синтетические ткани в аналогичных условиях сохраняются десятилетиями.

Анализ жизненного цикла (LCA), проведенный по международным стандартам ISO 14040 и ISO 14044, позволил выявить главные статьи расхода ресурсов при производстве 1 килограмма сухой грибной ткани:

1. Расход воды: 67,1% общего объема воды расходуется на этапе подготовки питательных сред для выращивания грибных пеллет.
2. Выбросы и энергозатраты: фильтрация и утилизация отработанной питательной среды формируют основную часть углеродного следа (48,4% от общих показателей процесса).
3. Использование ресурсов: производство глицерина, используемого для пластификации, создает основную нагрузку на окружающую среду в категориях землепользования (70,3%).

Финансовый расчет показал, что сырьевые компоненты (в первую очередь питательные среды и глицерин) составляют более 95% от общих затрат на производство биоматериала.

Технические барьеры и направление дальнейших исследований

Несмотря на успешные лабораторные испытания, технология имеет ряд ограничений, препятствующих немедленному выходу на массовый рынок:

• Чувствительность к влажности: при эксплуатации в условиях низкой влажности материал постепенно теряет эластичность из-за испарения связанной воды, а при слишком высокой влажности возможен незапланированный рост клеток.
• Неизученность износостойкости: параметры механического истирания при трении, устойчивость к машинному стиранию и стойкость к воздействию пота пока не подвергались масштабным долгосрочным испытаниям.

В качестве путей преодоления этих проблем авторы предлагают создание гибридных материалов, где живой грибной слой комбинируется с сеткой из биоразлагаемых опорных волокон, а также тонкую настройку плотности и пористости пеллет.

В перспективе интеграция методов синтетической биологии позволит отказаться от использования сторонних дрожжевых штаммов. Внедрение генетических систем прямо в геном Cordyceps militaris с помощью технологии CRISPR позволит получать грибную ткань, способную самостоятельно синтезировать пигменты, защитные вещества и сигнальные молекулы в ответ на изменения температуры, влажности или появление повреждений.

Источник: Science Advances