由細菌生長的建築物

（圖片／取自免費圖庫 Pakutaso）

建築物與人體其實沒有什麼不同。它們有骨骼和皮膚，他們呼吸。通電後，它們消耗能量、調節溫度並產生廢物。建築物是個有機體，儘管是無生命的。但是，如果建築物的牆壁、屋頂、地板、和窗戶，實際上是有生命，由活的材料生成、維護、和癒合呢？想像一下建築師使用遺傳工具，將建築物的結構編碼到生物體的DNA中，然後這些生物體生長出能夠自我修復、與居民互動、且適應環境的建築物。

隨著跨學科研究團隊將活細胞變成微型工廠，活體建築正從科幻小說領域進入實驗室。在科羅拉多大學博爾德分校，我引領著活體材料實驗室，與生物化學、微生物學、材料科學、和結構工程領域的學者一起合作，使用合成生物學工具包來設計細菌，以創造有用的礦物質和聚合物，並將它們塑造成有生命的積木，使建築物有朝一日可以栩栩如生。

在《科學報告》上發表的一項研究中，我和我的同事對大腸桿菌進行了基因編程，來製造具有不同形狀、大小、硬度、和韌性的石灰石顆粒。在另一項研究中，我們證明了大腸桿菌可以透過基因編程來產生苯乙烯，用於製造聚苯乙烯泡沫的化學物質，通常稱為保麗龍。

在我們最近發表在Matter上的工作中，我們使用光合作用藍藻來幫助我們種植結構建築材料，並成功讓它保持活力。與藻類類似，藍藻是在環境中隨處可見的綠色微生物，最常見在你家的魚缸玻璃上。藍藻不排放二氧化碳，而是利用二氧化碳和陽光生長，並在合適的條件下形成生物水泥。而我們用它來幫助我們將沙粒粘合在一起，製成活磚。

透過讓藍藻維持活力，我們能夠以幾何式的製造建築材料。我們拿一塊活磚，把它分成兩半，然後從兩半中長出兩塊完整的磚。兩塊滿磚再長成四塊，四塊再長成八塊，以此類推。我們不是一次製造一塊磚，而是利用細菌的幾何增長同時種植許多磚，形成一種全新的材料製造方法。

研究人員只觸及了工程生物材料潛力的表面，而其他的生物可以將其他生命功能賦予材料構建塊。例如，不同的細菌可以產生自愈、感知、響應外部刺激（如壓力和溫度）、甚至發光的材料。如果大自然可以做到，那么活體材料也可以被設計來做到這一點。

與傳統建築相比，建造生命建築所需的能源也更少。製造和運輸如今的建築材料，需要消耗大量能源和排放大量二氧化碳。例如，石灰石需要被燃燒來製造用於混凝土的水泥、金屬和沙子需要被開采和熔化來製造鋼和玻璃。建築材料的製造、運輸、和組裝佔全球二氧化碳排放量的11%，僅水泥產量就佔8%。相比之下，一些有生命的材料，比如我們的藍藻磚，實際上可以隔離二氧化碳。

來自世界各地的研究團隊，正在多個尺度上展示工程生物材料的力量和潛力，包括導電生物膜、用於聚合反應的單細胞活性催化劑、和活性光伏。研究人員製作了可以感知和傳達接觸有毒化學物質信息的活面具。研究人員還試圖從基因編程的單細胞中，生長和組成大塊材料。

雖然單個細胞的尺寸通常小於一微米，千分之一毫米，但生物技術和3D列印的進步，使人類尺寸的活體材料的商業製成成為可能。例如，Ecovative使用真菌菌絲體來培養泡沫狀材料、Biomason使用微生物來生產生物水泥塊和瓷磚。儘管這些產品在製造過程結束時變得毫無生氣，但台夫特理工大學的研究人員設計了一種方法，將活細菌封裝並3D列印成多層結構，使它們遇到某些化學物質時會發光。

工程生物材料領域尚處於起步階段，需要進一步的研究和開發，以填補實驗室研究和商業可用性之間的差距。其中的挑戰包括成本、測試、認證、和擴產。消費者接受度又是另一個問題，譬如名眾聽到生物體就會聯想黴菌、蜘蛛、螞蟻、和白蟻，而我們正希望能夠改變這些看法。研究生物材料的研究人員還需要解決對安全和生物污染的擔憂。

美國國家衛生基金會最近將工程生物材料列為該國的重點研究重點之一。合成生物學和工程生物材料將在應對人類在2020年代，及以後面臨的氣候變遷、抗災能力、老化和負擔過重的基礎建設、以及太空探索挑戰方面都將發揮關鍵作用。如果人類有一片純潔的土地，人們將如何建造東西？以科學家們現在所知道的，我確信我們不會再燃燒石灰石來製造水泥、開採礦石來製造鋼鐵、或熔化沙子來製造玻璃。相反的，我相信我們會求助於生物學來幫助我們建立和模糊我們的建築環境與自然生活世界之間的界限。

原著出處：Wil Srubar; March 23, 2020