Microbiologie in hapklare porties
Zelf-herstellend ‘leer’
Stel je een materiaal voor dat kan groeien, zich kan aanpassen en zichzelf kan genezen, net als een levend organisme. Dat is het doel van een nieuw onderzoeksgebied genaamd Engineered Living Materials (ELMs). ELM’s zijn gemaakt van levende cellen die in een laboratorium zijn ontworpen en gevormd om nieuwe materialen met verbazingwekkende eigenschappen te creëren. In tegenstelling tot ‘normale’ materialen zoals hout of metaal, kunnen ELM’s hun omgeving waarnemen en erop reageren, en zichzelf zelfs repareren als ze kapot gaan.
Sommige ELM’s zijn hybride levende materialen, die door de mens gemaakte materialen combineren met levende cellen die werken als slimme sensoren of activatoren. Sommige wetenschappers hebben bijvoorbeeld een manier gevonden om bacteriën te gebruiken om scheuren in beton te genezen. Ze nestelen de bacteriën in het beton en waar ze inactief blijven totdat het beton barst. Vervolgens worden de bacteriën wakker en produceren ze een lijmachtige substantie die de scheur afdicht. Op deze manier kan het beton zichzelf herstellen zonder menselijke tussenkomst.
Maar wat als we een materiaal zouden kunnen maken dat volledig levend is, zonder kunstmatige onderdelen? Dat is waar schimmels heel handig kunnen zijn. Schimmels zijn namelijk geweldige organismen die sterke, waterbestendige en zelfherstellende materialen kunnen produceren. Misschien heb je wel eens voorbeelden van schimmelmaterialen gezien in producten zoals paddestoelleer of myceliummeubels. Je kan eventueel hier lezen over hun mogelijke toepassing in de elektronica of hier over hun gebruik als airconditioning.
Onlangs probeerde een team van onderzoekers een nieuw soort schimmelmateriaal te creëren dat zichzelf kan genezen. Ze gebruikten Ganoderma lucidum, een schimmel die meestal wordt aangetroffen op rottende hardhoutbomen en een natuurlijk zelfherstellend vermogen heeft. Ze wilden een materiaal maken dat gebruikt kon worden voor bijvoorbeeld meubels, autostoelen of modeartikelen, en dat zichzelf kon repareren als het beschadigd raakte.
Wat zorgt ervoor dat de schimmel zichzelf geneest?
Om de schimmel er uit te laten zien en aan te laten voelen als leer, wordt het mycelium (de draadachtige delen van een schimmel) in vloeistof gekweekt en vervolgens in containers verder gegroeid. Hierdoor ontstaat een zogenaamde ‘huid’. Om te testen of de huid zelfherstellend was, droogden ze deze en controleerden of deze opnieuw levensvatbaar was. De onderzoekers testten verschillende soorten schimmels, waaronder enkele die ook vaak worden gebruikt om myceliummaterialen te maken, zoals Ganoderma resinaceum, Trametes versicolor en Pleurotus ostreatus. Alle schimmels behalve de laatste konden opnieuw tot leven worden gebracht dankzij hun (hogere) chlamydosporenproductie. Een chlamydospore is een beschermende schimmelstructuur die de overleving en verspreiding bevordert, zoals een veerkrachtig zaad voor schimmels.
Het in vloeistof gegroeide mycelium wordt gemengd en in een container gekweekt. De huiden worden geoogst, geplastificeerd en gedroogd, zodat er een myceliumhuid ontstaat. Aangepast van het originele artikel
Hoe goed en hoe snel kan het materiaal herstellen na een beschadiging?
Nadat ze hadden aangetoond dat de huiden opnieuw konden groeien, testten de onderzoekers hoe het genezingsproces kon worden geoptimaliseerd. Ze maakten gaatjes in de huid en probeerden verschillende technieken om het gat op te vullen. Uiteindelijk was de beste manier om de gaten te genezen het mycelium in een voedingsrijke vloeistof te laten weken of op een voedingsrijke vaste stof te plaatsen. Zelfs gaten met een diameter tot 10 mm konden op deze manier na twee dagen worden gedicht! En dat niet alleen, toen het materiaal in tweeën werd gescheurd, werden de twee helften weer met elkaar verbonden en na 4 dagen was er geen spoor meer van enige schade.
Kan het materiaal sterker worden nadat het zichzelf heeft genezen van schade?
De onderzoekers ontdekten dat het mycelium twee keer zo sterk werd na genezing gedurende 3, 5 of 10 dagen, vergeleken met vóór genezing. Dit komt doordat het mycelium nieuwe biomassa binnenin en bovenop de oude liet groeien, waardoor het dikker en dichter werd. Ze ontdekten ook dat het genezen mycelium net zo sterk was als het onbeschadigde mycelium, en dezelfde hoeveelheid stress kon weerstaan.
Het genezen mycelium was echter iets minder rekbaar en stijver dan het onbeschadigde mycelium. Dit kan komen door de verschillende structuren van de nieuwe en oude biomassa. De onderzoekers ontdekten ook dat mycelium dat gedurende 5 dagen genas de beste kwaliteit had, omdat het niet brak in het beschadigde gebied en geen ongewenste gezwellen vormde, in tegenstelling tot mycelium dat gedurende 3 of 10 dagen genas. Een andere interessante eigenschap die ze ontdekten was dat het genezen materiaal waterbestendiger werd doordat het nieuwe mycelium zich bovenop het oude vormde.
Zien we dit materiaal binnenkort op de markt?
Helaas is er nog meer onderzoek nodig om dit materiaal in bruikbare producten te verwerken. Het is bijvoorbeeld niet zeker of het materiaal zwaardere omstandigheden kan overleven, zoals chemicaliën of de cyclussen van een wasbeurt (omstandigheden die het materiaal ondergaat als het als leervervanger wordt gebruikt). En misschien nog wel belangrijker: het is nog niet bekend of het mycelium zichzelf meerdere keren kan genezen.
In tegenstelling tot de meeste andere levende materialen is dit schimmelmateriaal niet afhankelijk van genetische manipulatie of co-cultivatie, maar van fysieke manipulatie en reacties uit de omgeving. Dit maakt het een uniek en veelzijdig materiaal voor duurzame en veerkrachtige toepassingen, zoals meubels, autostoelen en modekleding.
Deze studie opent ook de mogelijkheid om een nieuwe generatie levende materialen te ontwikkelen die nog ‘levender’ en dynamischer kunnen worden, door complex gedrag zoals omgevingswaarneming, morfologische veranderingen of cellulaire reorganisatie in de loop van de tijd te programmeren.
Link to the original post: Elise Elsacker, Meng Zhang, Martyn Dade-Robertson. Fungal Engineered Living Materials: The Viability of Pure Mycelium Materials with Self-Healing Functionalities. Advanced Functional Materials, April 2023. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202301875
Featured image: Created with Bing image creator
Vertaald door: Charlotte van de Velde
micro-bites.org 