研究人员利用真菌研制出活体材料

瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）纤维素与木材材料实验室的研究人员现已开发出一种生物基材料，巧妙地规避了这一折衷方案。它不仅完全可生物降解，还具有抗撕裂性和多功能特性。这一切只需最少的加工步骤，无需化学物质——你甚至可以食用它。它的秘密在于：它是活的。

大自然的优化

研究人员采用广泛生长在枯木上的可食用真菌——裂褶菌（split-gill mushroom）的菌丝体作为其新型材料的基础。菌丝体是根状的丝状真菌结构，目前正作为潜在材料来源被积极研究。通常，菌丝纤维（称为菌丝 hyphae）会被清洁，并在必要时进行化学处理，这就导致了前述性能与可持续性之间的权衡。

Empa 研究人员选择了不同的方法。他们不对菌丝体进行处理，而是整体利用它。真菌在生长过程中不仅形成菌丝，还会产生所谓的细胞外基质：一个由各种纤维状大分子、蛋白质和活细胞分泌的其他生物物质组成的网络。“真菌利用这个细胞外基质赋予自身结构和其他功能特性。我们为何不能这样做呢？” Empa 研究员 Ashutosh Sinha 解释道。“大自然已经开发出了一个优化系统，”纤维素与木材材料实验室负责人 Gustav Nyström 补充道。

通过一些额外的优化，研究人员为大自然提供了助力。他们从裂褶菌巨大的遗传多样性中，筛选出一种能大量产生两种特定大分子的菌株：长链多糖裂褶菌多糖（schizophyllan）和类似肥皂的蛋白质疏水蛋白（hydrophobin）。由于其结构特性，疏水蛋白会聚集在极性液体与非极性液体（例如水与油）的界面处。裂褶菌多糖是一种纳米纤维：厚度不足一纳米，但长度可达其千倍以上。这两种生物分子共同赋予了活的菌丝体材料各种特性，使其适用于广泛的应用领域。

活的乳化剂

研究人员在实验室中展示了该材料的多功能性。在近期发表于期刊《Advanced Materials》的研究中，他们展示了这种活体材料的两种可能应用：类塑料薄膜和乳液。乳液是两种或多种通常无法混合的液体形成的混合物。打开冰箱就能看到实例：牛奶、沙拉酱或蛋黄酱都是乳液。各种化妆品、颜料和清漆也呈乳液形态。

一项挑战是稳定此类混合物，防止其随时间推移而分离成单一液体。这正是活体菌丝展现优势之处：裂褶菌多糖纤维和疏水蛋白均可充当乳化剂。而且真菌会持续释放更多此类分子。“这可能是唯一一种随时间推移稳定性反而增强的乳液，” Sinha 说道。无论是真菌丝本身还是其细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区都是常规食用菌。“因此，将其作为乳化剂应用于化妆品和食品工业尤其具有吸引力，” Nyström 表示。

从堆肥袋到电池

活的真菌网络也适用于经典的材料应用。在第二项实验中，研究人员将菌丝体制成薄膜。含有长链裂褶菌多糖纤维的细胞外基质赋予该材料极佳的抗拉强度，通过定向排列其中的真菌和多糖纤维可进一步增强这一特性。

“我们将成熟的纤维材料处理方法与新兴的活体材料领域相结合，” 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。” 研究人员可通过改变真菌的生长条件来控制真菌材料的特性。也可考虑使用能产生其他功能大分子的真菌菌株或物种。

使用活体材料也带来特定挑战。“可生物降解材料总是会对其环境作出反应，” Nyström 说。“我们希望找到能化这种互动为优势而非阻碍的应用场景。” 然而，可生物降解性仅是菌丝体特性的一部分。它同时是一种生物降解剂：裂褶菌能主动分解木材和其他植物材料。Sinha 在此看到了另一潜在应用：“它可用于制造能自行堆肥有机废弃物的袋子，替代可堆肥塑料袋。”

在可持续电子领域，菌丝体也存在前景广阔的应用。例如，该真菌材料对湿气表现出可逆反应，可用于制造可生物降解的湿度传感器。Nyström 团队当前正在研究的另一项应用，是将该活体材料与纤维素与木材材料实验室的另两个研究项目相结合：真菌生物电池和纸电池。Sinha 表示：“我们希望制造一种紧凑型可生物降解电池，其电极由活的'真菌纸'构成。”