กระบวนการทางชีวเคมีที่ไซยาโนแบคทีเรียได้รับสารอาหารจากหินในทะเลทราย Atacama ของชิลีเป็นแรงบันดาลใจให้วิศวกรที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เออร์ไวน์ คิดหาวิธีใหม่ๆ ที่จุลินทรีย์อาจช่วยให้มนุษย์สร้างอาณานิคมบนดวงจันทร์และดาวอังคารได้
นักวิจัยจากภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมของ UCI และภาควิชาชีววิทยาของมหาวิทยาลัย Johns Hopkins ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงและเทคนิคการถ่ายภาพสเปกโทรสโกปีขั้นสูงเพื่อทำความเข้าใจอย่างแม่นยำว่าจุลินทรีย์ปรับเปลี่ยนทั้งแร่ธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและนาโนเซรามิกที่สังเคราะห์ขึ้นได้อย่างไร ปัจจัยสำคัญตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวคือไซยาโนแบคทีเรียสร้างแผ่นชีวะที่ละลายอนุภาคเหล็กออกไซด์ที่เป็นแม่เหล็กภายในหินยิปซั่ม จากนั้นจึงเปลี่ยนแมกนีไทต์ให้กลายเป็นออกไซด์ออกไซด์
การค้นพบของทีมงานซึ่งเป็นหัวข้อของบทความที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร Materials Today Bioสามารถเป็นแนวทางสำหรับวิธีการขุดแบบ biomimetic ใหม่ ผู้เขียนยังกล่าวอีกว่าพวกเขาเห็นผลลัพธ์เป็นขั้นตอนสู่การใช้จุลินทรีย์ในการพิมพ์ 3 มิติขนาดใหญ่หรือการผลิตสารเติมแต่งในระดับที่เป็นประโยชน์ในด้านวิศวกรรมโยธาในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น บนดวงจันทร์และดาวอังคาร
David Kisailusศาสตราจารย์ด้านวัสดุของ UCI กล่าวว่า “ด้วยกระบวนการทางชีววิทยาที่มีวิวัฒนาการมาหลายล้านปี คนงานเหมืองขนาดเล็กเหล่านี้ขุดหิน สกัดแร่ธาตุที่จำเป็นต่อการทำงานทางสรีรวิทยา เช่น การสังเคราะห์ด้วยแสง ที่ช่วยให้พวกมันอยู่รอดได้” วิทยาศาสตร์และวิศวกรรม “มนุษย์สามารถใช้วิธีการทางชีวเคมีที่คล้ายคลึงกันเพื่อรับและจัดการแร่ธาตุที่เราเห็นว่ามีค่าได้หรือไม่? โครงการนี้นำเราไปสู่เส้นทางนั้น”
ทะเลทราย Atacama เป็นหนึ่งในสถานที่ที่แห้งแล้งที่สุดและไม่เอื้ออำนวยมากที่สุดในโลก แต่ Chroococcidiopsisซึ่งเป็นไซยาโนแบคทีเรียที่พบในตัวอย่างยิปซั่มที่ทีม Johns Hopkins เก็บได้ ได้พัฒนา “การดัดแปลงที่น่าทึ่งที่สุดเพื่อให้อยู่รอดในถิ่นที่อยู่ที่เป็นหินของมัน” ผู้เขียนร่วมกล่าว Jocelyne DiRuggieroรองศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยบัลติมอร์
“ลักษณะบางอย่างเหล่านี้รวมถึงการผลิตคลอโรฟิลล์ที่ดูดซับโฟตอนสีแดงเข้มและความสามารถในการดึงน้ำและธาตุเหล็กจากแร่ธาตุโดยรอบ” เธอกล่าวเสริม
นักวิจัยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขั้นสูงและเครื่องมือสเปกโทรสโกปี พบหลักฐานของจุลินทรีย์ในยิปซั่มโดยการสังเกตการเปลี่ยนแปลงของแร่ธาตุที่มีอยู่ภายใน
DiRuggiero กล่าวว่า “เซลล์ไซยาโนแบคทีเรียส่งเสริมการละลายของแมกนีไทต์และการละลายของเหล็กโดยการผลิตสารโพลิเมอร์นอกเซลล์จำนวนมาก ซึ่งนำไปสู่การสลายตัวและออกซิเดชันของแมกนีไทต์เป็นออกไซด์ “การผลิต siderophores [สารประกอบที่จับกับเหล็กที่เกิดจากแบคทีเรียและเชื้อรา] ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นเมื่อมีอนุภาคนาโนของแมกนีไทต์ ซึ่งแนะนำให้ใช้โดยไซยาโนแบคทีเรียเพื่อรับธาตุเหล็กจากแมกนีไทต์”
Kisailus กล่าวว่าวิธีที่จุลินทรีย์แปรรูปโลหะในบ้านรกร้างของพวกเขาทำให้เขานึกถึงการทำเหมืองและการผลิตของเราเอง
“เมื่อเราขุดหาแร่ธาตุ เรามักจะลงเอยด้วยแร่ที่อาจก่อให้เกิดความท้าทายในการสกัดโลหะมีค่า” เขากล่าว “เรามักจะต้องนำแร่เหล่านี้ไปผ่านกระบวนการขั้นสูงเพื่อเปลี่ยนมันให้เป็นสิ่งที่มีค่า การปฏิบัตินั้นอาจมีค่าใช้จ่ายทั้งทางด้านการเงินและด้านสิ่งแวดล้อม”
Kisailus กล่าวว่าตอนนี้เขากำลังพิจารณาวิธีการทางชีวเคมีโดยใช้สารอะนาล็อกตามธรรมชาติหรือสังเคราะห์กับ siderophores เอนไซม์ และการหลั่งอื่นๆ เพื่อจัดการกับแร่ธาตุที่มีเพียงเครื่องบดเชิงกลขนาดใหญ่เท่านั้นที่ใช้งานได้ในปัจจุบัน และก้าวกระโดดจากที่นี่ เขากล่าวว่าอาจมีวิธีให้จุลินทรีย์ใช้ความสามารถทางชีวเคมีที่คล้ายคลึงกันเพื่อผลิตวัสดุเชิงวิศวกรรมตามความต้องการในสถานที่ที่ไม่สะดวก
“ฉันเรียกมันว่า ‘การขึ้นรูปทางจันทรคติ’ แทนที่จะเรียกว่าการขึ้นรูปดิน” Kisailus กล่าว “ถ้าคุณต้องการสร้างบางสิ่งบนดวงจันทร์ แทนที่จะต้องเสียค่าใช้จ่ายในการจ้างคนทำ เราสามารถมีสื่อพิมพ์ 3 มิติสำหรับระบบหุ่นยนต์ แล้วให้จุลินทรีย์กำหนดค่าใหม่ให้เป็นสิ่งที่มีค่า สิ่งนี้สามารถทำได้โดยไม่เป็นอันตรายต่อชีวิตมนุษย์”
เขาเสริมว่ามนุษย์ไม่จำเป็นต้องใช้วิธีการแบบเอดิสันเสมอไปเพื่อค้นหาวิธีการทำสิ่งต่างๆ
“นี่คือธีมหลักของ Biomimetics และ Nanostructured Materials Lab ของฉัน เหตุใดจึงพยายามประดิษฐ์วงล้อขึ้นมาใหม่ ในเมื่อธรรมชาติได้ทำให้สมบูรณ์แบบเป็นเวลาหลายร้อยล้านปีแล้ว” คิไซลัสกล่าว “เราเพียงแค่ต้องดึงความลับและพิมพ์เขียวของสิ่งที่ธรรมชาติทำออกมา แล้วนำไปใช้หรือปรับให้เข้ากับสิ่งที่เราต้องการ”
โครงการนี้ได้รับทุนสนับสนุนจากสำนักงานวิจัยกองทัพบก และได้รับความช่วยเหลือจากเครื่องมือที่จัดทำโดยสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงาน ทีมวิจัยยังรวมถึง Wei Huang นักวิชาการหลังปริญญาเอกในกลุ่มทดลองของ Kisailus; Taifeng Wang, Ph.D. ซึ่งเพิ่งจบการศึกษาจาก UCI และปัจจุบันทำงานที่ Intel; และ Cesar Perez-Fernandez ในภาควิชาชีววิทยาของมหาวิทยาลัย Johns Hopkins
