Bacterial Photonic Pigments
本文展示了一种可扩展的方法，用于采集具有天然结构色的细菌生物膜并将其加工成可持续的全光谱颜料粉末，从而为合成化学制造提供了一种生物基替代方案。
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大自然早已精通了无需使用哪怕一滴染料就能创造出灿烂、闪烁色彩的艺术。大多数颜料是通过吸收特定波长的光并反射其余部分来发挥作用的，而自然界中最鲜艳的色调则源于完全不同的东西：结构。从甲虫到海龟，这些生物体内的微观架构排列得如此精准，以至于能使光波发生干涉，导致某些颜色以极高的亮度反射回来。这些生物结构由蛋白质和糖等常见材料组成，在温和的条件下组装而成，与制造合成染料通常所需的严苛化学过程形成了鲜明对比。科学家们长期以来一直试图模仿这种天然的高效性，希望为从服装到油漆的一切产品创造可持续、无毒的替代品。然而，一个主要的障碍一直存在：虽然我们可以观察到这些生命结构，但我们一直难以将其收获并转化为一种可用于产品的、稳定的可用粉末，且在混合过程中不丢失其色彩。
一组研究人员现在通过展示一种将活体细菌菌落直接转化为鲜艳结构颜料的方法，填补了这一空白。该团队并非试图从头开始构建这些复杂的纳米结构，而是利用了某些杆状细菌自我组织的天赋能力。在特定的条件下生长时，这些细菌会自发排列成紧密堆积的六角形网格，就像箱子里堆叠的橙子一样。这种有序的排列充当了光子晶体，根据细胞之间的间距反射特定颜色的光。研究人员选择了已知具有这种行为特性的菌株，包括 Cellulophaga lytica 和一种 Flavobacterium 的突变株，并开发了一种方法，让它们在半透膜上而非传统的固体凝胶中生长。这种设置允许营养物质向上流动至细菌，同时将废物带走，从而创造出一个平整、均匀的活细胞层，可以作为单一的连续薄片进行收获。
一旦细菌形成了色彩斑斓的生物膜，团队就会引入一种流经薄膜并进入细菌层的固定溶液。这种化学处理剂使细胞发生交联，将它们错综复杂的排列锁定在原位，并赋予该薄膜足够的机械强度，使其能够从薄膜上剥离成为一张独立的薄片。随后，研究人员将这些薄片研磨成细小的薄片，制成保留了原始菌落结构色的颜料粉末。该过程具有显著的多样性；通过调节生长期间的温度、使用基因改造的细菌菌株或应用简单的化学后处理，团队可以生产出跨越整个可见光谱的颜料。例如，一个绿色的生物膜可以通过使用一种使细胞脱水的化学试剂进行处理，导致网格收缩，从而将反射颜色转向蓝色。同样，一种特定的突变菌株自然地产生出深红色调。
除了单纯收获细菌外，该研究还探索了一种更先进的技术，用以创造完全无机的颜料。研究人员将细菌生物膜作为一种活体模板，用液体二氧化硅溶液渗透进细胞之间的空间。在二氧化硅硬化后，他们通过高温加热材料，烧掉有机细菌细胞，留下一个完美镜像了原始细菌排列的多孔二氧化硅结构。这产生了一种“反蛋白石”材料，这类结构在使用传统方法制造时非常困难，但现在通过这种生物模板技术变得触手可及。所得的二氧化硅颜料保持了其结构完整性和色彩，尽管有机材料的移除和二氧化硅的致密化导致反射光略微向蓝端偏移。
这项工作的意义在于其可扩展性和可持续性。整个过程旨在实现连续化和自动化，使用一种可以让薄膜进行消毒和重复使用的流动系统，与依赖一次性琼脂平板的传统方法相比，大幅减少了浪费和成本。研究人员表明，通过简单地增加薄膜的大小或将多个单元进行三维排列，就可以扩大这种方法的规模，为大规模生产结构色提供了一条切实可行的路径。通过证明活细胞可以被生长、固定并加工成稳定的彩色粉末，这项研究建立了一个创建功能性纳米材料的新平台。它预示着这样一个未来：生物学的复杂自组织能力可以取代合成化学制造，从而产出不仅色彩鲜艳、持久，而且主要由可再生生物材料组成的颜料。
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