研究人员利用真菌开发活体材料

真菌被认为是一种很有前景的可生物降解材料来源。瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）的研究人员开发了一种基于真菌菌丝体及其自身细胞外基质的新型材料。这赋予了该生物材料特别优异的性能。

可持续生产的可生物降解材料是现代材料科学的重要研究方向。然而，在研究纤维素、木质素或几丁质等天然材料时，研究人员面临着权衡取舍。尽管这些物质在纯净状态下可以生物降解，但它们的性能往往并不理想。化学加工可以增强其强度、耐腐蚀性或柔韧性，但这样做往往会损害其可持续性。

瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）纤维素和木材材料实验室的研究人员开发出一种生物基材料，巧妙地避免了上述妥协。它不仅完全可生物降解，而且还具有抗撕裂性和多种功能特性。所有这一切都只需极少的加工步骤，无需任何化学物质——甚至可以食用。它的秘密在于：它是活的。

自然优化

研究人员以裂褶菇的菌丝体为基础，开发出一种新型材料。裂褶菇是一种广泛分布的食用真菌，生长在枯木上。菌丝体是根状的丝状真菌结构，目前已被积极研究作为潜在的材料来源。通常情况下，菌丝纤维（也称为菌丝）需要经过清洗，必要时还会进行化学处理，这就导致了上述性能与可持续性之间的权衡。

瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）的研究人员选择了不同的方法。他们没有单独处理菌丝体，而是将其作为一个整体进行研究。真菌在生长过程中不仅会形成菌丝，还会形成所谓的细胞外基质：一种由各种纤维状大分子、蛋白质和其他生物物质组成的网络，这些物质都是活细胞分泌的。“真菌利用这种细胞外基质来赋予自身结构和其他功能特性。我们为什么不能也这样做呢？”Empa研究员阿舒托什·辛哈解释道。“大自然已经进化出了一个优化的系统，”纤维素和木材材料实验室主任古斯塔夫·尼斯特伦补充说。

通过一些额外的优化，研究人员借助自然的力量。他们从裂褶菌巨大的遗传多样性中筛选出一种菌株，该菌株能高效产生两种特定的生物大分子：长链多糖裂褶菌素和皂状蛋白疏水蛋白。由于其独特的结构，疏水蛋白会聚集在极性液体和非极性液体的界面上，例如水和油的界面。裂褶菌素是一种纳米纤维：厚度不到一纳米，但长度却是其一千倍以上。这两种生物分子共同赋予了活菌丝体材料独特的性质，使其适用于广泛的应用领域。

活性乳化剂

由于菌丝体细胞外基质中含有辅助分子，菌丝纤维是良好的天然乳化剂——甚至可以安全食用。

研究人员在实验室中展示了这种材料的多功能性。他们最近在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表了这项研究，展示了这种活性材料的两种潜在应用：一种是类似塑料的薄膜，另一种是乳液。乳液是由两种或多种通常互不相容的液体混合而成的。打开冰箱就能看到一个例子：牛奶、沙拉酱或蛋黄酱都是乳液。各种化妆品、油漆和清漆也都是乳液。

其中一个挑战是如何稳定这类混合物，使其不会随着时间的推移而分离成不同的液体。而活菌丝体的优势就在于此：裂褶菌多糖纤维和疏水蛋白都能起到乳化剂的作用。而且，真菌还会不断释放这些分子。“这可能是唯一一种会随着时间推移而变得更加稳定的乳液，”辛哈说道。真菌菌丝体本身及其胞外分子都完全无毒、生物相容且可食用——裂褶菌在世界许多地方都是人们的日常食物。“因此，它在化妆品和食品工业中作为乳化剂的应用尤其令人感兴趣，”尼斯特伦说道。

从堆肥袋到电池

这种活体真菌网络也适用于传统材料应用。在第二个实验中，研究人员将菌丝体制成薄膜。含有长裂褶菌多糖纤维的细胞外基质赋予材料极佳的拉伸强度，而通过对真菌和多糖纤维进行定向排列，可以进一步提高其拉伸强度。

“我们将成熟的纤维材料加工方法与新兴的生物材料领域相结合，”Nyström解释道。Sinha补充说：“可以说，我们的菌丝体是一种活的纤维复合材料。” 研究人员可以通过改变真菌的生长条件来控制这种真菌材料的特性。此外，还可以考虑使用其他能够产生其他功能性大分子的真菌菌株或物种。

在培养基上培养的裂褶菌真菌。样品取自右侧的培养皿。

使用这种生物材料也面临着一些挑战。“可生物降解材料总是会对周围环境产生反应，”尼斯特伦说道，“我们希望找到一些应用场景，在这些场景中，这种相互作用不仅不是阻碍，反而可能成为优势。”然而，对于这种菌丝体来说，其可生物降解性仅仅是其中的一部分。它本身也是一种生物降解体：裂褶菌能够主动分解木材和其他植物材料。辛哈看到了另一种潜在的应用：“我们可以用它来制作能够自身堆肥有机废物的袋子，而不是使用可堆肥塑料袋，”这位研究人员说道。

菌丝体在可持续电子领域也展现出广阔的应用前景。例如，这种真菌材料对水分具有可逆反应，可用于制造可生物降解的湿度传感器。Nyström团队目前正在研究的另一项应用是将这种活性材料与纤维素和木材材料实验室的另外两个研究项目相结合：真菌生物电池和纸电池。“我们希望生产一种紧凑型、可生物降解的电池，其电极由一种活性‘真菌纸’构成，”Sinha说道。