Bakteriler ile Kendi Kendini Onarabilen Yapılar Üretebilseydik Neler Olurdu?

Qiming Wang ve USC Viterbi Mühendislik Okulu’ndaki araştırmacılar güçlü, toleransı yüksek ve esnek özelliklerde mühendislik malzemeleri oluşturmak için yaşayan bakterileri kullanıyor.

İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü’nde (CEE) Yardımcı Doçent olan Stephen Schrank “Bakteriler ile yaptığımız bu malzemeler yaşıyor ve kendi kendine büyüyor” dedi. “Özellikle bu küçük yapıları gözlemlemek için mikroskoplar icat edildikten sonra, yüzyıllardır doğal malzemelerin mikro yapılarını inceleyebilme fırsatı yakaladık ve hayran kaldık. Şimdi önemli bir adım atıyoruz: canlı bakterileri, kendi kendini onarabilen şaşırtıcı yapılar inşa etmek için bir araç olarak kullanıyoruz.

Araştırmacılar, üreaz adı verilen enzimi salgıladığı bilinen S. Pasteurii gibi spesifik bakterilerle çalışıyorlar. Üreaz üre ve kalsiyum iyonlarına maruz kaldığında, kemiklerde veya dişlerde bulunan güçlü bir mineral bileşiği olan kalsiyum karbonat üretir. “Araştırmamızdaki en önemli yenilik, bakterileri doğal mineralize kompozitlerde bulunanlara benzer düzenli mikro yapılar elde etmek için kalsiyum karbonat mineralleri yetiştirmeye yönlendirmemizdir.”

Ayrıca Wang şunları ekliyor: “Bakteriler iş yapmak için zaman ve enerjiden nasıl tasarruf edeceklerini biliyorlar. Kendi zekalarına sahipler ve sentetik seçeneklerden daha gelişmiş olan hibrit malzemeler tasarlamak için onların zekalarını kullanabilme seçeneğimiz mevcut’’

Doğadan ilham almak mühendislikte yeni bir durum değildir. Tahmin edilebileceği gibi doğa güçlü, kırılmaya dayanıklı ve enerji sönümleyici olan karmaşık mineralize kompozitlerin harika örneklerine sahiptir. Örneğin bir yumuşakçayı çevreleyen sert kabuk.

‘’Bakteri, mantar ve virüs gibi mikroorganizmalar bazen COVİD-19 gibi hastalıklara neden olsada, aynı zamanda yararlı olabilirler. Mikroorganizmaları işleyen bir fabrika gibi kullanma konusunda uzun bir geçmişimiz var. Örneğin bira yapmak için maya kullanmak. Ancak mühendislik malzemeleri üretmek için mikroorganizmaların kullanımı konusunda sınırlı araştırmalar var.”

Canlı bakterileri ve sentetik malzemeleri birleştiren Wang, bu yeni canlı malzemenin şu anda kullanılan herhangi bir doğal veya sentetik malzemeden daha üstün mekanik özellikler gösterdiğini söyledi. Bu büyük ölçüde bir tür “büküm” veya helicoidal şekil oluşturmak için birbirinden farklı açılarda döşenen çok sayıda mineral tabakası ile karakterize edilen malzemenin bouligand yapısından kaynaklanmaktadır. Bu yapının sentetik olarak oluşturulmasının çok zor olduğunu söylüyor.

Wang, USC Viterbi araştırmacılarından olan An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng ve Kyung Hoon Lee ile birlikte çalıştı. Ek olarak destek California Üniversitesi Irvine inşaat mühendisliği profesörü Lizhi Sun ve öğrencisi Shengwei Feng tarafından sağlandı.

Form Nasıl Oluşuyor?

Mineralize bir kompozitin en önemli özelliklerinden biri, farklı yapıları taklit etmek için uyarılabiliyor olmasıdır. Araştırmacılar uzun zaman önce bir mantis karidesinin bir kas kabuğunu yakından gözlemlediklerinde bouligand yapısında düzenlenmiş olduğunu buldular. Bu yapı daha homojen açılarda düzenlendiğinde üst düzey mukavemet sunar. Örneğin malzemenin kafes yapısını her katmanla 90 derecelik bir açıyla değiştirir.

Bu yapıyı sentetik olarak oluşturmak bu alanda çok zordur. Bu yüzden araştırmacılar bunu başarmak için bakteri kullanmayı önerdiler.

Malzemeyi inşa etmek için, araştırmacılar 3D bir kafes yapısı ve iskele hazırladılar. Bu yapının içinde boş kareler var ve kafes katmanları, helikoidal şekle göre iskele oluşturmak için çeşitli açılarda döşeniyor.

Bakteriler daha sonra bu yapı boşluklarına yerleştiriliyor. Bakteriler doğal olarak yüzeylere yapışmayı severler ve iskeleye yönelirler. Malzemeye bacakları ile yapışabilirler. Bakteriler burada kalsiyum karbonat kristallerinin oluşumlarını tetikleyen enzim olan üreaz salgılar. Yüzeyden yukarı doğru büyürler, sonunda 3D baskılı kafes yapısındaki küçük kareleri veya boşlukları doldururlar. Gözenekli yüzeylerle, minerallerle farklı desenler oluşturmaları mümkün hale gelir.

Bu tür yapıların mukavemetinin çok yüksek olduğunu gösteren mekanik testler yapıldı. Ayrıca çatlak yayılımına, kırıklara direnebildiler ve malzeme içindeki enerjiyi dağıtmaya yardımcı olurlar.

Günümüzde kullanılan mevcut malzemelerin mukavemet, kırılma direnci ve enerji dağılımı ortalama bir değere sahiptir, ancak Wang ve ekibinin yarattığı canlı malzemelerde olduğu kadar iyi çalıştığı kanıtlanmamıştır.

Wang ‘’Çok sert ve güçlü bir şey ürettik” dedi. “Bu malzemeler acil kullanım, havacılık panelleri ve araç çerçeveleri gibi altyapılarda kullanım içindir.”

Canlı malzemeler nispeten hafiftir, ayrıca vücut zırhı veya araç zırhı gibi savunma uygulamaları için uygundur. Wang ile çalışan bir postdoc olan Yipin Su “Bu malzeme mermi penetrasyonuna direnebilir ve hasarı önlemek için yüzeyde enerjiyi dağıtabilir” dedi.

Wang ‘’İlginç olan bu canlı malzemelerin kendi kendine büyüyen özelliklere sahip olmasıdır” dedi. “Bu malzemelere zarar verildiğinde, malzemeleri onarmak için bakterileri etkinleştirebiliriz. Örneğin, onları bir köprüde kullanırsak, gerektiğinde hasarları onarabiliriz.”

Kaynak: sciencedaily.com