細菌が生み出す耐亀裂材料：現代工学に自然の強靭さを活かす
USCの研究者たちは、細菌を導いて、合成材料よりも強い微細構造をもつ自己再生型材料を成長させることで、生物学と工学を融合させている。
生物学と工学を融合させる目覚ましい突破として、科学者たちは現在、生きた細菌を用いて、強度があるだけでなく亀裂に対して驚くほど強い新素材を創り出している。この革新的アプローチは、耐久性と自己修復性を高めた新世代の建築材料への道を開く可能性がある。工学材料における生物の力通常は病気を引き起こしたり有機物を腐敗させたりする微小な生物と見なされる細菌が、今や材料科学の世界における主要な担い手へと変わりつつある。南カリフォルニア大学ヴィタビ工学部（University of Southern California Viterbi School of Engineering）のQiming Wangと彼のチームが行った研究のおかげで、生きた生物は、強いだけでなく自らを修復できる構造を成長させるための道具として用いられるようになっている。彼らの研究は、U.S. National Science Foundation（米国国立科学財団）の資金提供を受け、Advanced Materialsに掲載されたもので、合成材料と有機材料の画期的な融合を表している。細菌の自然なプロセスを利用することで、チームは、骨や歯などの天然物質の微細構造を模倣しつつ、機械的特性を高め、はるかに大きな復元力をもつ材料を開発した。未来のための生きた材料この革新的な方法は、ウレアーゼと呼ばれる酵素を産生する細菌を中心としている。この酵素が尿素とカルシウムイオンに触れると、炭酸カルシウムの形成を引き起こす。これは骨や歯に見られるまさに同じ化合物である。強度で知られるこの化合物が、研究者たちが創り出した新しいハイブリッド材料の基盤となっている。これらの細菌を導いて炭酸カルシウムを精密なパターンで成長させることにより、Wangと彼のチームは、自然界で起こる自己集合プロセスを再現することに成功し、合成材料だけでは創り出すことができない微細構造を実現した。これらの自己成長材料は、建設や社会基盤に用いられる従来材料と比較して、亀裂抵抗性と強度の向上を含む優れた機械的特性を示す。「自然がこれらの精巧な微細構造をどのように発展させてきたかには驚かされます。そして今、私たちはその知性を利用して、合成的に作れるものよりはるかに優れた材料を創り出すことができます」とQiming Wangは述べ、生きた生物が革新的な材料設計を触発する可能性を強調した。エンジニアとしての細菌：より賢く、より強い材料Wangの研究における重要な革新は、材料の機械的特性を高める特定の鉱物を細菌に成長させるよう導く能力である。生きた細菌を合成材料と組み合わせることで、彼らは、他のいかなる既知の材料よりも強いだけでなく、より耐久性があり復元力のあるハイブリッド材料を創り出すことができる。「これらの生きた材料がこれほど注目に値するのは、時間の経過とともに自己修復し適応する能力です。細菌は時間とエネルギーを効率的に使う方法を知っており、このおかげで私たちは、より強いだけでなくエネルギー使用もより効率的な材料を設計できるようになりました」とWangは付け加えた。この知的なアプローチは、生体鉱化作用を活用して、工学においてより持続可能で費用対効果の高い解決策を生み出せることの好例である。インフラとその先への影響この画期的な研究は、強く復元力のある材料に大きく依存する産業に広範な影響を及ぼす可能性がある。橋や道路などの社会基盤から、骨再生のような生物医学的応用に至るまで、これらの細菌を動力源とする材料の潜在的用途は広大である。ハイブリッド材料は維持管理コストを大幅に削減し、長期的な持続可能性を高める可能性があり、建設会社や環境意識の高い産業にとって極めて魅力的である。NSFの工学部局のプログラム・ディレクターであるNakhiah Goulbourneが述べたように、「これは社会基盤やその他の構造材料にとって重要な影響を及ぼす可能性があります。これらの研究者が考案したハイブリッド材料は、誘導された生体鉱化作用を新規で刺激的な方法で活用しています」。材料科学におけるバイオエンジニアリングの未来この研究の成功は、材料科学における新時代の幕開けを告げるものであり、そこでは生物と合成材料が協働して、世界のインフラニーズに対してよりスマートでより耐久性のある解決策を生み出す。細菌が生産プロセスにより深く関与するようになるにつれ、建築物、乗り物、さらには医療機器をどのように製造し維持するかにおいて、さらなる進歩が期待できる。これらの新素材は、よりクリーンでより持続可能な未来の約束を秘めており、そこでは自然プロセスとバイオテクノロジーが工学と融合して、私たちのカーボンフットプリントを削減し、将来世代の生活の質を向上させる。タグ：リビングマテリアル、バイオミネラリゼーション、Qiming Wang、USC工学、細菌ベース材料、ウレアーゼ酵素、炭酸カルシウム、NSF研究、STEMイノベーション、材料科学のブレークスルー、生物工学画像クレジット：NSF