Bakterilerden Günlük Hayatta Kullanılacak Materyallere

Araştırmacılar organizmaların yaşam güçlerini/ canlılıklarını kullanarak güçlü, dayanıklı ve esnek materyaller yaptılar.

Canlı hücreleri büyüme ve rejenerasyon için biyolojik sistemler tarafından kullanılabiliyor ancak mühendislik sistemleri tarafından şu ana kadar kullanılamıyordu. USC Viterbi Mühendislik Okulundan Qiming Wang ve araştırmacıları canlı bakterileri kullanarak daha güçlü, dayanıklı ve esnek mühendislik materyalleri üretmeye başladılar.

İnşaat ve Çevre Mühendisliği’nin Sonny Astani fakültesinde; İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü Başkanı, aynı zamanda İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü Yardımcı Doçenti Wang, “Yaptığımız malzemeler canlı ve kendi kendine büyüyor. Yüzyıllardır, özellikle de bu küçük yapıları gözlemlemek için mikroskopların icat edilmesinden sonra, doğal malzemelerin karmaşık mikro yapılarına hayran kaldık. Şimdi ileriye doğru önemli bir adım atıyoruz: Canlı bakterileri, kendi başımıza yapılamayacak şaşırtıcı yapıları doğrudan büyütmek için bir araç olarak kullanıyoruz.” dedi.

Araştırmacılar spesifik bir bakteriyle, üreaz enzimini salgıladığı bilinen S. Pasteurii bakterisiyle çalışıyor. Üreaz, üre ve kalsiyum iyonuna döndüğünde, kemiklerde ve dişlerde bulunan, dayanıklı ve güçlü olan kalsiyum karbonat üretir.  “Araştırmamızın en önemli noktası; bakterilere, doğal minarelli kompozitlere benzeyen düzenli mikro yapılara ulaşmak için kalsiyum karbonat minarellerini büyüterek, yol göstermek. Bakteriler bu tarz şeyleri yapmak için zaman ve enerjilerini nasıl tasarruf etmeleri gerektiğini bilirler. Kendi zekâları var ve biz tamamen sentetik seçeneklerden daha üstün hibrit materyalleri tasarlamak için onların zekalarını kullanıyoruz.”

Mühendislikte doğadan ilham almak yeni değil. Doğa güçlü, kırılmaya dayanıklı ve enerji sönümleme gibi karmaşık mineralize kompozitlerin harika örneklerine sahiptir, örneğin sedef veya yumuşakçayı çevreleyen sert kabuk.

Wang ekliyor, “Bakteri gibi mikro organizmalara karşın, mantar ve virüsler gibi mikro organizmalar da var ve bunlar büyük felaketlere, COVID-19 gibi, ya da yararlı olaylara neden olabiliyor. Mikro organizmaları kullanmamızın uzun yıllara dayanan tarihsel bir geçmişi var, mesela fabrikalarda maya ile bira yaparken de kullanılır. Ama mikro organizmaları kullanarak mühendislik materyalleri üretmek için sınırlı araştırma var.”

Canlı bakteriler ve sentetik materyalleri birleştirme; Wang diyor ki, bu yeni canlı materyaller şu anda kullanımda olan herhangi bir doğal veya sentetik malzemeden daha üstün mekanik özellikler gösterir. Bu genellikle malzemenin bir tür bükülme veya sarmal şekil oluşturmak için birbirinden farklı açılarda döşenen birden fazla mineral katmanı ile karakteristik kaynar yapısından kaynaklanmaktadır. Bu yapının sentetik olarak oluşturulması çok zordur.

Wang, USC Viterbi araştırmacılarıyla: An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng ve Kyung Hoon Lee ile beraber çalıştı. Ek desteği Kaliforniya Üniversitesi Irnive kampüsündeki İnşaat Mühendisliği bölümü Profesörü Lizhi Sun ve öğrencisi Shengwei Feng sağladı. 

Yapılan Materyalin Şekli Nasıl?

Wang, “Mineral bileşenlerin en önemli özelliklerinden biri, değişik yapıları veya şekilleri taklit etmek için manipüle olabilir.” Araştırmacılar uzun zaman önce bir peygamber devesi karidesinin, kas kabuğunu kırmak için “çekicini” kullanma seçeneğini gözlemlediler. “Çekicine” daha yakından bakıldığında onu burjuvalı bir yapıda düzenlenmiş olarak buldular. Bu yapı, daha homojen açılarda düzenlenmiş olana üstün direnç uygular, örneğin malzemenin kafes yapısını her katmanda direnç uygulayarak 90 derecede değiştirir. Wang, “Bu tarz yapıları sentetik olarak yapmak çok zor. Biz bakterileri kullanarak buna ulaşmayı öneriyoruz.”

Materyalleri inşa etmek için araştırmacılar, 3 boyutlu bir şekilde bir kafes veya iskele yapısı oluşturmuşlardır. Bu yapının içinde boş alanlar vardır. Bu boşlukları doldurmak için sırası ile; kafes katmanları değişik açılarda serilerek helezonik şekle uygun iskele oluşturulur. Daha sonra bakteriler bu yapıya dahil edilir. Bakteriler doğaları gereği yüzeylere yapışmayı severler ve oluşturulan iskeleye bacakları ile tutunurlar. Bakteriler, kalsiyum karbonat kristallerinin oluşumunu tetikleyen enzim olan üreazı salgılar. Bunlar yüzeyden yukarıya doğru büyür ve böylece 3 boyutlu kafes yapısındaki boş alanları doldurur. Wang, bakterilerin, minerallerle farklı desenler oluşturmalarına izin verdiği için gözenekli yüzeyleri sevdiğini, eklemiştir.

Zorlu Üçlü Kombin: “Enerji-Direnç-Güç”

An Xin, “Bu tür yapıların gücünün çok fazla olduğunu gösteren mekanik testler yaptık. Bu testler aynı zamanda çatlakların/ kırılmaların yayılmasını durdurabiliyordu ve enerjinin materyalle kırılmasını ya da dağılmasını sağlıyordu.”

Mevcut materyaller olağanüstü gücü, kırılmaya dirençlerini ve enerjinin dağılımını gösterebiliyordu ancak, Wang ve ekip arkadaşlarının da yaptığı, bu üçlü kombinasyonun beraber çok da iyi çalışmadığı biliniyordu.

Wang, “Biz bazı şeyleri sert ve güçlü şekilde ürettik ve ortaya çıkan çıkarımlarımızla bunları altyapılarda kullanma çalışmalarına başladık. Bu altyapılara havacılık materyalleri, paneller ve araç şasileri örnek gösterilebilir. Yipin Su bu konu ile ilgili, “Buralarda bahsettiğimiz canlı materyaller çok hafifler ve bu canlı materyallerle savunma bazlı yapılar da üretilebilir. Bu savunma bölümü için vücut veya arabalara zırh olması gibi örnekler verilebilir. Mesela bu materyaller, virüslerin vücuda girmesine direnç uygulayabilirler ve tehlikeden kurtulmak için enerjiyi serbest bırakarak dağıtırlar.”

Onarım gerektiği zaman bu materyallerin bakterileri yeniden tanıma potansiyeli bile var. Wang, “Bu konuda ilginç olan nokta, canlı materyallerimizin kendi kendini hâlâ büyütme özelliği.  Materyaller bir tehlikeyle karşılaştığında, bakteriler ile materyalin birbirini yeniden tanıma özelliği ile materyalleri tekrar büyütebiliriz. Örneğin biz bunları bir köprüde kullanırsak; köprüyle ilgili bir sorun olduğunda, bu sorunu onarabiliriz.”

Yazar Notu: Araştırmacılar 3 boyutlu kafes veya iskele oluşturuyorlar. Daha sonrasında oluşturdukları bu yapıdaki boşlukları doldurmak için katlarını dizayn ediyorlar. Bu işlem esnasında bakterileri de yerleştiriyorlar ve kullandıkları bakteri S. Pasteurii olduğu için üreaz enziminden kolayca kalsiyum karbonat üretimi de gerçekleşiyor. Bunu yapmak için insan gücünün ya da dış etkenlerin yanında bakterilerin doğaları gereği sahip olduğu yeteneklerden de faydalanılıyor. Neticesinde boşluklarında dolduğu bu yapının gücü çok fazla. Bu tarz enerj-direnç-güç kombinasyonları yapılmaya çalışılmış ancak bu üçlünün beraber çokta verimli çalıştığı gözlemlenememiştir. Wang ve ekip arkadaşları, bu kombinasyonu bakterileri kullanarak verimli hâle getirmiştir. Verimliliği de sağlanan bu yapı artık araba, havayolu ve çeşitli yerlerde karşımıza çıkabilecek mükemmel bir mühendislik materyali üreticisi olmuştur!

Kaynak : sciencedaily.com