Fungal mycelium as a material component: Production and characterization of genetically engineered strains

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2022-12-12
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
79
Series
Abstract
Mycelium has potential in fulfilling the sustainable materials needs of the future by providing an alternative for various traditional material solutions, such as animal leather and construction materials. Mycelium is produced by fungi and is inherently bio-based. Fungal materials are typically mycelium materials produced either from cultured fungi or fruiting bodies of fungi. Mycelium is the vegetative part of fungi made of branching hyphae composed of fungal cells. Cell walls are an important structural part of fungal cells. Thus, it is likely that cell wall regulation pathways affect the microstructure of the fungal cells and ultimately the material properties of mycelium. In this work, fourteen Trichoderma reesei strains were studied to see how the genetic engineering of single genes affected material properties of mycelium. The mycelium film production process was based on the previously patented method. A shake-flask fermentation was used to cultivate mycelium biomass that was then treated to obtain mycelium suspension that was then cast as a mycelium film. Yield, microstructure and protein expression patterns of mycelium culture, cell wall polysaccharide content of mycelium biomass, and tensile strength, strain and Young’s modulus of mycelium films were determined. These values were compared to the genetic differences of the studied fungal strains. This work provided a look into the production of mycelium films and the investigation of the material properties with comprehensive analysis methods. The cell wall polysaccharide content analysis was further developed with the experiments of this work. The mycelium microstructural differences were generally minor between samples and their references. Additionally, the hyphae of the wild-type (Rut-C30 and QM9414) and directly wild-type-derived fungal strains were longer and only mildly branching than the more genetically engineered strains and their transformants. The results suggested that genetic engineering reduced the polysaccharide content of the cell wall of the studied strains. The results for physical and mechanical properties were less consistent and both reducing and increasing effects were observed. This work provides a basis for further development of novel mycelium materials. The future of mycelium materials is indeed filled with lots of potential.

Myseelillä eli sienirihmastolla on hyvät edellytykset täyttää kestävän materiaalin tunnusmerkit tulevaisuudessa tarjoamalla vaihtoehdon perinteisille materiaaliratkaisuille, kuten eläinnahkalle sekä erilaisille rakennusmateriaaleille. Myseeli on sienten tuottama luontaisesti biopohjainen materiaali. Sienimateriaalit ovat tyyppillisesti myseelimateriaaleja, jotka tuotetaan joko sieniviljelmillä tai sienten itiöemistä. Myseeli koostuu sienisoluista rakentuvista sienirihmoista, joka muodostaa sienen kasvavan osan. Soluseinillä on rakenteellinen merkitys sienisoluissa. Onkin todennäköistä, että soluseinän sääntely ja viestinvälitysketjut vaikuttavat sienisolujen mikrorakenteeseen ja kaiken kaikkiaan myseelin materiaaliominaisuuksiin. Tässä työssä käytettiin neljäätoista Trichoderma reesei -kantaa arvioimaan geneettisten muokkausten vaikutusta myseelin materiaaliominaisuuksiin. Myseelikalvon tuotantoprosessi pohjautui aiemmin patentoituun menetelmään. Myseelibiomassaa valmistettiin pullokasvatusfermentoinnilla, ja tämä biomassa käsiteltiin suspensioksi, joka valettiin myseelikalvoksi. Myseelikasvatuksen saanto, mikrorakenne, tiettyjen proteiinien tuottotasot sekä myseelibiomassan soluseinän polysakkaridipitoisuus sekä myseelikalvojen vetolujuus, venymä ja kimmokerroin määritettiin. Näitä arvoja verrattiin kyseisten sienikantojen geneettisiin eroihin. Tämä työ tarjosi kattavien analyysimenetelmien kautta katsauksen myseelikalvojen tuotantoon sekä niiden materiaaliominaisuuksiin. Tämä työ edesauttoi soluseinän polysakkaridipitoisuuden määritysmenetelmän kehitystä. Näytteiden ja verrokkien väliset erot myseelin mikrorakenteessa olivat vähäisiä. Villikantojen (Rut-C30 ja QM9414) ja niiden suorien johdannaiskantojen sienirihmat olivat pidempiä ja haarautuiva vähemmän kuin enemmän geneettisesti muokattujen kantojen ja näiden johdannaiskantojen sienirihmat. Tulosten perusteella geneettinen muokkaus vähensi tutkittujen sienikantojen soluseinien polysakkaridipitoisuutta. Fyysisten ja mekaanisten ominaisuuksien tulokset olivat vähemmän yhteneviä, ja niissä olikin viitteitä sekä parannetuista että heikennetyistä vaikutuksista. Tämä työ pohjustaa uudenlaisten myseelimateriaalien kehitytstä. Myseelimateriaaleiden tulevaisuus näyttääkin erittäin valoisalta.
Description
Supervisor
Linder, Markus
Thesis advisor
Szilvay, Géza
Keywords
mycelium, filamentous fungi, density, polysaccharide, tensile strength, cell wall composition
Other note
Citation