07/05/2025
0Исследователи сравнивают биоминерализованный мицелиальный каркас (внизу справа) с другими живыми материалами, построенными из гидрогелей и целлюлозы. Марен Стубенволл
Жизнь в доме, построенном из грибов и бактерий, может показаться фантастикой, но, согласно новому исследованию, ученые сделали еще один шаг к тому, чтобы в конечном итоге воплотить эту идею в реальность.
Исследовательская группа из Монтаны вырастила плотные, губчатые клубки мицелия — корнеподобной структуры, соединяющей подземные грибные сети — в качестве каркаса для создания живого, самовосстанавливающегося строительного материала.
Способность создавать прочные несущие конструкции из живого материала еще далека от реальности. Однако это открытие является важным шагом на пути к созданию экологичной альтернативы цементу, связующему веществу в бетоне, сказала Челси Хеверан, старший автор исследования, опубликованного 16 апреля в журнале Cell Reports Physical Science.
По данным лондонского аналитического центра Chatham House, ежегодно производится более 4 миллиардов метрических тонн (4,4 миллиарда тонн) цемента, что составляет около 8% мировых выбросов углекислого газа. Это означает, что если бы производство цемента было страной, она заняла бы третье место после Китая и США по выбросам в 2023 году.
«Мы задались вопросом: «А что, если мы сможем сделать это по-другому, используя биологию?». Вот в чем заключается наша концепция», — сказал Хеверан, доцент кафедры машиностроения и промышленной инженерии Монтанского государственного университета в Бозмене.
Авторы исследования ввели бактерии, способные производить карбонат кальция — то же химическое соединение, которое содержится в кораллах, яичной скорлупе и известняке, — в грибной мицелий, который служил каркасом. В результате процесса, называемого биоминерализацией, карбонат кальция затвердел липкий, гибкий мицелий, превратив его в жесткую структуру, похожую на кость.
«Мы не первые, кто биоминерализовал что-то и назвал это строительным материалом. … Но если вы хотите сохранить (бактерии) живыми дольше, чтобы можно было использовать их более эффективно, то для продления их жизнеспособности приходится решать ряд сложных задач», — сказал Хеверан. «Именно поэтому мы дали им грибные мицелиальные каркасы, потому что мицелий очень прочный и в природе иногда сам биоминерализуется».
Команда провела эксперимент, позволив грибку Neurospora crassa биоминерализоваться самостоятельно, но обнаружила, что его уничтожение с последующим добавлением микробов помогает получить более прочный материал за меньшее время. Бактерии Sporosarcina pasteurii после метаболизма мочевины, которая является пищей для бактерий, создают кристаллические сетки из карбоната кальция вокруг грибных нитей.
В то время как другие биоминерализованные строительные материалы считаются «живыми» всего несколько дней, Хеверан сказала, что ее команда смогла сохранить активность микробов в течение как минимум четырех недель, и в конечном итоге этот период может продлиться до нескольких месяцев или даже лет.
«Мы очень рады нашей следующей работе, в которой мы зададимся вопросами: «Можем ли мы заделать трещину в материале?» Или «Можем ли мы что-то почувствовать с помощью этих бактерий?» Представьте, что в вашем здании плохое качество воздуха, а эти кирпичи — ваши стены. Могут ли они загореться, чтобы (указать) на это?» — сказала Хеверан. «Раньше мы не могли этого сделать, потому что микробы не были достаточно живыми, но сейчас они очень живые».
Старший автор Челси Хеверан (в центре) из Монтанского государственного университета в Бозмене и студенты (слева направо) Итан Вайлс и Лив Асфольм работают в команде над подготовкой биоминерализованного материала. Марен Стубенволл
Еще есть над чем работать
Прежде чем использовать этот материал для строительства домов, заборов или других конструкций, необходимо провести еще много испытаний, чтобы найти живой строительный материал, который сможет заменить цемент, сказал Авинаш Манджула-Басаванна, биоинженер, не участвовавший в исследовании.
«Подобные эксперименты проводятся в небольших масштабах. … Они не обязательно отражают свойства материала в больших количествах», — сказал Манджула-Басаванна, старший научный сотрудник Северо-Восточного университета в Бостоне. «В строительных материалах людей интересует не жесткость, а прочность и несущая способность».
Хотя прочность и долговечность живых строительных материалов еще не сравнима с бетоном, Хеверан считает, что мицелий по-прежнему является многообещающей основой. Благодаря своей гибкости, это липкое вещество можно формировать так, чтобы в балках, кирпичах или стенах появлялись каналы, похожие на сосуды.
Подобно кровеносным сосудам в организме человека, клетки в живых строительных материалах нуждаются в структурах, способных доставлять питательные вещества для поддержания жизни. Однако добавление таких структур в конструкцию строительных материалов может ослабить их, что станет проблемой для будущих исследований, по словам Манджулы-Басаванны.
«Я думаю, что в будущем эти небольшие структуры могут быть полезны для одноэтажных зданий — это вполне реально», — сказала Манджула-Басаванна. «Возможно, это произойдет через пять-десять лет».
Грибы также представляют потенциальную опасность для дыхательных путей, и хотя уничтожение мицелия снижает его способность производить аллергены, необходимо провести дополнительные исследования, прежде чем считать его безопасным для проживания, сказал Хеверан.
«Очень легко разработать концепцию тестовой структуры, согласно которой материалы должны быть достаточно прочными, потому что такие стандарты уже существуют», — сказал Хеверан. «Но у нас нет нормативных стандартов для моих кирпичей, в которых есть клетки».
Взгляд в будущее
Можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время вы не увидите грибные кирпичи в местных магазинах строительных материалов.
Команда Хеверана — лишь одна из многих в стране, исследующих возможности мицелия, который уже используется для производства других, более мягких изделий, таких как упаковка и изоляция.
По словам Хеверана, несколько государственных агентств уже проявили интерес к возможным вариантам использования живых строительных материалов.
«Чтобы обычное домохозяйство могло получить экономическую выгоду от этого, должно произойти много «если», — сказал Хеверан.
«Но для общества это может быть гораздо дешевле, когда вы пытаетесь построить инфраструктуру для сообщества, которое действительно в этом нуждается, или если вы пытаетесь построить инфраструктуру в космосе, это может быть гораздо проще, чем перевозить туда цемент и бетон», — пояснила она. «Возможности действительно меня вдохновляют».
