Téma

Živé materiály – mikroorganismy jako budoucnost designu

Potřeba žít udržitelněji se stává stále více neoddělitelnou součástí našich životů. I z toho důvodu se blízká budoucnost zajisté bude obracet na technologie, které nám umožní šetrně hospodařit s cennými surovinami a pomohou nám získat z nich co nejvíce. Slibná řešení této výzvy nabízí nová odvětví a protože je lidská společnost silně technokratická, můžeme předpokládat, že se všechny inovace budou rodit pod kontrolou technologických gigantů, kteří již dnes tvarují naše životy. Některá řešení však mohou vzniknout i díky těm nejmenším organismům, žijícím všude kolem nás.

Živé materiály – mikroorganismy jako budoucnost designu
Živé materiály – mikroorganismy jako budoucnost designu

Text: Václav Ksandr • Foto, zdroj: Neri Oxman (web)

Materiálové a technologické inovace byly vždy klíčem k lidskému úspěchu. Lidé stáli za nespočtem materiálových objevů a vylepšení. Způsob, jakým jsme v minulosti stavěli, nebo vyráběli stroje, ovšem nedokázal vědomě reagovat na okolní podmínky. Byl z velké části nehybný. Nové technologie nám však umožňují do mrtvých materiálů vdechnout život. V době, kdy se suroviny stávají vzácnějšími, je potřeba hledat nová řešení k utváření funkčních materiálů a produktů, které by nespoléhaly na řešení vyžadující velké množství surovin.

Přestože jsou počítačové technologie, na které dnes spoléháme, často rychlejší a svou výpočetní silou překonávají mnoho živých organismů obývajících naši planetu, stále se jim nedokáží vyrovnat ve schopnosti efektivně hospodařit se surovinami a také v některých dalších vlastnostech. Příkladem může být třeba takzvaná samoopravitelnost, jež je nedílnou součástí všech organismů. Tu technologie prozatím postrádají.

Co by se ale stalo, kdybychom běžné materiály, obohatily živými organismy? Takové materiály by získaly nespočet nových vlastností, například schopnost detekce škodlivých chemikálií v ovzduší, samoregulaci a mimo jiné právě schopnost samoopravitelnosti. Tvorba živých materiálů ovšem vyžaduje, abychom přehodnotili to, jakým způsobem materiály a produkty navrhujeme, používáme a především – jak je vyrábíme.

Hybridní živé materiály

V roce 2019 tým vědců z MIT a Harvard University ve složení Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader, Sunanda Sharma a další vyvinuli platformu pro výrobu právě takových materiálů. Tomuto novému druhu materiálů začali říkat Hybrid Living Materials (zkráceně HLM). Svůj projekt představili v článku Hybrid Living Materials: Digital Design and Fabrication of 3D Multimaterial Structures with Programmable Biohybrid Surfaces (Hybridní živé materiály: Digitální design a tvorba 3D multimateriálových sktruktur s programovatelnými biohybridními povrchy).

HLM získávají většinu svých vizuálních vlastností právě díky mikroorganismům, žijícím na jejich povrchu. Aby mohli vědci úspěšně umístit mikroorganismy na povrch HLM, bylo třeba využít technologií jakými jsou 3D tisk, počítačem podporovaný design nebo syntetická biologie.

Zároveň mohou takové materiály nabýt mnoha různých tvarů a funkcí. Jedním z příkladů HLM jsou masky ze kolekce Vesper III, jejichž autorkou a zároveň spoluautorkou platformy pro jejich výrobu je Neri Oxman.

Test pigmentace na flexibilních materiálech. Zdroj: Neri Oxman (web)

Pigmentace přitom samozřejmě není jedinou potenciální funkcí mikroorganismů v materiálech. Článek Living Bits (Živé kousky) popisuje potenciální schopnost mikroorganismů reagovat na okolní teplotu, vlhkost, elektromagnetická pole a tak dále. Jejich následným projevem může být jak pigmentace, tak vůně. Přitom pigmentace HLM je často uváděna jako důkaz úspěšného uchycení mikroorganismů na povrchu materiálu.

Další formy, kterými mohou HLM zaujmout, jsou například chytré architektonické membrány, reagující na vnější podněty; obalové materiály, schopné odhalit kontaminaci, nebo personalizovaná zařízení na výrobu protilátek.

Díky tomu, že HLM jsou domovem pro nespočet bakterií, nedá se jejich funkce omezit jen na design nebo strukturální integritu. Materiály musí zároveň vytvářet biokompatibilní prostředí, ve kterém mohou bakterie prosperovat.

Podobně jako prostředí většiny planet (nebo i některých míst na Zemi, například geotermální pole Dallol v Etiopii), některé z pryskyřic používaných pro 3D tisk jsou pro život nehostinné. Při zkoumání úrovně biokompatibility bylo zjištěno, že úmrtnost bakterií Escherichia coli (E. coli) je <50% při použití konvenčních UV sensitivních pryskyřic. Vědci z MIT z těchto důvodů nakonec použili nekonvenční směs dvou pryskyřic, díky které se úmrtnost geneticky modifikovaných E. coli snížila na <15%.

Aby vyřešili problém s biokompatibilitou materiálu museli vědci vytvořit 3D model finálního výrobku. Kvůli specifickým nárokům na multimateriálovou kompozici HLM bylo nutné k jeho popsání použít voxely (termín pro 3D pixely). Tradiční STL formát totiž umožňuje přidělit pouze jediný materiál pro individuální 3D objekty. U objektu popsaného pomocí voxelů zatím každý 3D pixel může reprezentovat jiný materiál.

Právě multimateriálová konstrukce je nesmírně důležitá pro fungující HLM. Bakterie, které jsou na jejich povrchu, reagují na chemickou kompozici pryskyřic. Každá z pryskyřic vyvolává v bakteriích rozdílnou reakci. Ty se pak dají dále programovat poměrem signalizujícího materiálu vůči pryskyřici.

Samozřejmě ne každá technologie 3D tisku se hodí na výrobu takových materiálů, především kvůli nárokům na multimateriálovou konstrukci. Další výzvou pro výrobu HLM jsou rozdílné možnosti výrobních technologií, které umožňují kombinovat více materiálů najednou a zároveň zaručí vysokou přesnost a rozlišení, aby bylo možné precizně programovat pigmentaci nebo další funkce materiálu.

V již zmíněném článku Hybrid Living Materials autoři zmiňují, že pro svůj výzkum považují jako nejdůležitější 3D tiskárnu značky Stratasys – Objet Connex500. Jedná se o tiskárnu využívající technologie Inkjet. I když je Inkjet technologie hodně podobná technologii SLA, Inkjet se liší tím, že UV sensitivní pryskyřici nevytvrzuje v kádi pomocí UV světla, ale nanáší ji ve formě kapiček, které potom prosvítí a vytvrdí světlem. Tak může tiskárna kombinovat až 14 různých materiálů a výsledný výrobek má díky tomu různou materiálovou a chemickou kompozici. Zároveň dosahuje vysoké přesnosti a rozlišení, jelikož se materiál nanáší postupně na předem definovaná místa v malém množství.

Finálním krokem po vytisknutí HLM je přichycení geneticky upravených E. coli na povrch materiálu. To se provádí pomocí tenkého hydrogelového filmu, který zabraňuje, aby bakterie cestovaly po povrchu materiálu a zároveň zmenšuje šanci, že dojde k přenosu bakterií z materiálu na člověka.

Po přichycení geneticky upravených E. coli na povrch materiálu mohou bakterie začít produkovat pigmenty v reakci na signalizující materiály obsažené v pryskyřicích. Aby mohly mikroorganismy provádět jakoukoliv naprogramovanou činnost, kromě podnětů, na které reagují, vyžadují také splnění určitých kultivačních podmínek. Těmi jsou například dostatečný zdroj živin, teplota, kultivační atmosféra nebo vlhkost. Kultivační podmínky se liší pro každý organismus. Některé druhy mikroorganismů využívají fotosyntézy, jiné spoléhají především na přísun glukózy z hostitelského organismu. Celý proces přestane, jakmile se vyčerpají zdroje živin, signální materiály anebo pokud vlhkost klesne natolik, že mikroorganismy už umírají.

3D tisk na bázi voxelů. Zdroj: Neri Oxman (web)

Obohacování materiálů pomocí bakterií zároveň pokládá otázky ohledně bezpečnosti takových materiálů. Bakterie E. coli jsou běžnou součástí zdravé střevní mikroflóry savců a tudíž i lidí. Většina kmenů E. coli je neškodná a dokonce prospěšná lidskému zdraví. Přesto jsou některé kmeny E. coli patogenní a mohou být zodpovědné za řadu obtíží, které jsou většinou mírné, ale v menším množství případů mohou způsobit i vážné infekce. Takovým problémům se dá snadno předejít tím, že materiály pracují jen s nepatogenními organismy. Bakterie i jiné mikroorganismy mají úžasnou schopnost modifikovat svůj genetický kód pomocí útržků jiného genetického kódu, na který narazí.

Podle článku v magazínu Nature Communications bakterie, které nebyly patogenní, mohou převzít genetický materiál a získat tak nové vlastnosti. Proces, kterým bakterie mohou získat nový genetický materiál, se nazývá horizontální přenos genetické informace. Výzkum ve zmíněném článku probíhal na koloniích E. coli vyskytujících u kuřat. Mimo jiné se podařilo vypozorovat vývoj odolnosti vůči antibiotikům. Tato vlastnost se tak může relativně rychle rozšířit i mezi jiné bakterie, které s rezistentními bakteriemi přijdou do kontaktu.

Je důležité poznamenat, že přesně naprogramovaná kultura bakterií na hybridních materiálech nikdy nebude tak nebezpečná jako bakterie žijící volně. A to především proto, že bakterie na modifikovaných materiálech mají omezený zdroj potravy. Jedná se o přesně vybranou kulturu se známým chováním a vlastnostmi. Dalším faktorem je také zachování bakterií pomocí hydrogelového filmu. Omezená životnost bakterií zároveň snižuje časové okénko, během kterého mohou změnit svůj genetický kód.

Z výše uvedených důvodů by funkce jako barvení a úprava výrobku pomocí bakterií mohly být v budoucnu nejrozšířenější. Vývoj u chytrých membrán a přenosných zařízení na personalizovanou výrobu protilátek však bude pravděpodobně trvat déle. Dlouhodobé užívání materiálů, nebo výrobků obohacených mikroorganismy by zároveň mohlo vyžadovat, aby se o ně uživatelé starali podobně, jako se dnes staráme například o pokojové rostliny.

Budoucnost živých materiálů

Během posledních pár let se biofabrikace stala významnou výrobní technologií 21. století. Většina produkce inzulinu spoléhá na mikroorganismy a společnosti jako Modern Meadow, nebo Bolt Threads využívají kvasinek například k výrobě kůže, která nepochází ze zvířat a je tvořená kolagenem. Kvasinek se využívá také k výrobě pavoučího hedvábí.

Obohacování materiálů a výrobků ovšem zatím není vůbec běžné a je spíše předmětem konceptů a akademických studií. Výhody, které by nám takové materiály mohly přinést, jsou však nepopíratelné a aktivní výzkum spojený s podporou velkých společností jako Puma naznačuje, že by se živé materiály mohly brzy stát nedílnou součástí našich životů, podobně jako biofabrikace, která se kdysi zdála být jen fantastickým výmyslem.

Mikroorganismy by nám pak mohly pomoci snížit spotřebu surovin tím, že by umožnily vytvářet funkční materiály a produkty s menším množstvím elektronických součástek, případně by mohly pomoci s barvením našich oděvů bez používání toxických pigmentů.

Nenechte si ujít webinář na téma Biomateriály a biotechnologie. Více o webinářích Towards New Materiality nejdete zde.