MITとロンドン・インペリアル・カレッジの技術者は、ある種の茶にヒントを得た、強靭で機能性のある材料を生成する新たな方法を開発した。
研究者らは、茶の発酵に使われる「コンブチャマザー」に似た、細菌と酵母の混合物を用いてセルロースを生成することに成功した。
研究者らは、この培養系を個人が家庭で使えるようにカスタマイズし、水のフィルターやその他の有用な材料を育てられるようにすることを構想している。
MITとロンドン・インペリアル・カレッジの技術者は、茶の発酵に使われる「コンブチャマザー」に似た、細菌と酵母の混合物を用いて、強靭で機能性のある材料を生成する新たな方法を開発した。
この混合物はSCOBY（共生培養細菌・酵母、symbiotic culture of bacteria and yeast）とも呼ばれ、研究者らはこれを用いて、環境汚染物質の検知など多様な機能を果たす酵素を埋め込んだセルロースを生成することに成功した。さらに、酵母を材料内に直接組み込み、水の浄化や、損傷を検知できる「スマート」な包装材料の製造に使える「生きた材料」を作れることも示した。
「将来は、資源集約型の集中生産ではなく、生物学を活用して、さまざまな材料を家庭や地域の生産施設で育てられるようになると考えています」と、MITの電気工学・コンピュータサイエンスおよび生物工学の准教授であるティモシー・ルーは述べている。
ルーと、ロンドン・インペリアル・カレッジの生物工学教授であるトム・エリスは、本日発表された論文の上級著者である。論文は、次の雑誌に掲載された：Nature Materials。論文の筆頭著者は、MITの大学院生であるタン・ツーチェ（Tzu-Chieh Tang）と、ケンブリッジ大学のポスドクであるチャーリー・ギルバートである。
役割分担
数年前、ルーの研究室は、大腸菌（E. coli）を用いて、バイオフィルムを生成する方法を開発した。このバイオフィルムには金ナノワイヤーなどの材料が埋め込まれていた。しかし、これらの膜は非常に小さく薄いため、大半の大規模用途での利用は困難であった。今回の研究では、微生物を用いてより大量かつより実用的な材料を生成する方法を見出すことを目指した。
研究者らは、特定の種類の細菌と酵母の混合物である紅茶キノコ（コンブチャマザー）に似た微生物集団を作ることを考案した。これらの発酵工場は通常、1種の細菌と1種以上の酵母を含んでおり、エタノール、セルロース、酢酸を生成する。酢酸は紅茶キノコに特有の風味を与える。
発酵に用いられる野生の酵母株の多くは遺伝子改変が難しいため、研究者らはそれらを、実験室用酵母の一種であるSaccharomyces cerevisiaeに置き換えた。彼らは、この酵母をKomagataeibacter rhaeticusと呼ばれる細菌の一種と組み合わせた。この細菌は、ロンドン・インペリアル・カレッジの共同研究者らが以前に紅茶キノコから分離したものである。この菌種は大量のセルロースを生成できる。
研究者らは実験室用の酵母株を用いたため、実験室用酵母ができるあらゆることを行うよう細胞を操作することができた。例えば、暗闇で光る酵素を生成させたり、環境中の汚染物質を検知させたりすることが可能である。また、この酵母は汚染物質を検知した後にそれを分解するようプログラムすることもできる。
一方、培養液中の細菌は、足場となる強靭なセルロースを大量に生成する。研究者らは、生成されるセルロース構造に、酵母そのものを組み込むか、あるいは酵母が生成する酵素だけを組み込むかを制御できるようにシステムを設計した。材料の生成には数日しかかからず、十分に長く置いておけば、浴槽ほどの大きさの空間を占めるまで厚くなることもある。
「非常に安価で、非常に大量に、しかも非常に簡単に作れる、良いシステムだと考えています」と、タンは述べている。「それは、少なくとも大腸菌（E.coli）システムの1000倍以上の材料を生成できます」。
お茶を加えるだけ
研究者らは、「Syn-SCOBY」と名付けた微生物培養系の可能性を実証するため、環境汚染物質として時折見られるエストラジオールを検知する酵母を組み込んだ材料を作製した。別のバージョンでは、青色光にさらされるとルシフェラーゼと呼ばれる発光タンパク質を生成する酵母株を用いた。これらの酵母は、他の汚染物質、金属、または病原体を検知する別の株に置き換えることができる。
この培養系は、研究者らがほとんどの研究で用いた通常の酵母培養培地で育てることができるが、砂糖を加えた茶の中でも育つことが示されている。研究者らは、この培養系を個人が家庭で使えるようにカスタマイズし、水のフィルターやその他の有用な材料を育てられるようにすることを構想している。
「ほとんど誰でも、台所や家庭でこれを行うことができます」と、タンは述べている。「専門家である必要はありません。必要なのは砂糖と、栄養分を供給する茶、そしてSyn-SCOBYの「母」の一片だけです。」
本研究は、一部、米陸軍研究所、MIT兵士ナノテクノロジー研究所、およびMIT-MISTI MIT-インペリアル・カレッジ・ロンドン シードファンドの支援を受けた。タンは、MIT J-WAFSフェローシップの支援を受けた。
