3D打印生物的新方法

LLNL研究人員正在繼續(xù)致力于開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的3D晶格并創(chuàng)建具有更好印刷和生物學(xué)性能的新型生物樹(shù)脂。他們正在評(píng)估諸如碳納米管和水凝膠之類的導(dǎo)電材料，以傳輸電子，以及通過(guò)生物合成印刷的營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分細(xì)菌，以提高微生物合成應(yīng)用中的生物試劑效率。該團(tuán)隊(duì)還正在確定如何-佳地優(yōu)化生物印刷電極的幾何形狀，以-大程度地通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)送大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)品。

LLNL生物工程師和合著者莫妮卡·莫亞(Monica Moya)說(shuō)：“我們才剛剛開(kāi)始了解結(jié)構(gòu)是如何控制微生物行為的，這項(xiàng)技術(shù)是朝這個(gè)方向邁出的一步。” “操縱微生物及其理化環(huán)境以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能具有一系列應(yīng)用，包括生物制造，修復(fù)，生物傳感/檢測(cè)，甚至是工程生物材料的開(kāi)發(fā)，這些材料是自動(dòng)圖案化的，可以自我修復(fù)或感知/響應(yīng)他們的環(huán)境。”

實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助了該研究。

勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種以受控模式3D打印生物的新方法，從而擴(kuò)大了利用工程細(xì)菌回收稀土金屬，清潔廢水，檢測(cè)鈾等的潛力。

通過(guò)使用光和細(xì)菌注入樹(shù)脂來(lái)產(chǎn)生3D模式微生物的新技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功地印刷了類似于現(xiàn)實(shí)世界中微生物群落薄層的人造生物膜。該研究小組將細(xì)菌懸浮在光敏生物樹(shù)脂中，并使用LLNL開(kāi)發(fā)的用于微生物生物打印(SLAM)的3D立體光刻設(shè)備的LED光將細(xì)菌“捕獲”在3D結(jié)構(gòu)中。投影立體光刻機(jī)可以以18微米量級(jí)的高分辨率進(jìn)行打印-幾乎與人體細(xì)胞的直徑一樣薄。

在發(fā)表在《納米快報(bào)》(Nano Letters)期刊上的論文中，研究人員證明了該技術(shù)可有效用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)明確的微生物群落。他們展示了這種3D打印生物膜在鈾生物傳感和稀土生物采礦應(yīng)用中的適用性，并展示了幾何形狀如何影響印刷材料的性能。

首-席研究員和LLNL生物工程師William“ Rick” Hynes說(shuō)：“我們正在努力推動(dòng)3D微生物培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展。” “我們認(rèn)為這是一個(gè)研究不足的領(lǐng)域，其重要性尚未得到很好的理解。我們正在努力開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)，研究人員可以使用這些工具和技術(shù)更好地研究微生物在幾何復(fù)雜但高度受控的條件下的行為。通過(guò)訪問(wèn)和增強(qiáng)對(duì)微生物種群的3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行更好控制的應(yīng)用方法，我們將能夠直接影響它們之間的相互作用方式，并改善生物制造生物試劑過(guò)程中的系統(tǒng)性能。”

盡管看似簡(jiǎn)單，但海因斯解釋說(shuō)，微生物行為實(shí)際上極為復(fù)雜，并且受其環(huán)境的時(shí)空特性(包括微生物群落成員的幾何組織)驅(qū)動(dòng)。海因斯說(shuō)，微生物的組織方式會(huì)影響一系列行為，例如它們?nèi)绾紊L(zhǎng)，何時(shí)生長(zhǎng)，飲食，如何合作，如何保護(hù)自己免受競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的攻擊以及產(chǎn)生什么樣的分子。

Hynes解釋說(shuō)，以前實(shí)驗(yàn)室中生物試劑生物膜的方法使科學(xué)家?guī)缀鯚o(wú)法控制膜中的微生物組織，從而限制了人們充分了解自然界細(xì)菌群落中復(fù)雜相互作用的能力。在3D模式下對(duì)微生物進(jìn)行生物打印的能力將使LLNL科學(xué)家能夠更好地觀察細(xì)菌在其自然棲息地中的功能，并研究諸如微生物電合成等技術(shù)，其中“吃電子的”細(xì)菌(電養(yǎng)菌)在非高峰時(shí)段將多余的電能轉(zhuǎn)化為生物試劑生物燃料和生物化學(xué)物質(zhì)。

Hynes補(bǔ)充說(shuō)，目前，由于電極(通常是導(dǎo)線或2D表面)與細(xì)菌之間的接口效率低下，微生物的電合成受到了限制。通過(guò)將設(shè)備中的3D打印微生物與導(dǎo)電材料結(jié)合起來(lái)，工程師應(yīng)該實(shí)現(xiàn)具有高度擴(kuò)展和增強(qiáng)的電極-微生物界面的高導(dǎo)電生物材料，從而產(chǎn)生更加高效的電合成系統(tǒng)。

生物膜對(duì)工業(yè)的興趣日益增加，在工業(yè)中，生物膜可用于修復(fù)碳?xì)浠衔铮厥贞P(guān)鍵金屬，清除船上的藤壺以及用作多種天然和人造化學(xué)物質(zhì)的生物傳感器。LLNL研究人員利用LLNL的合成生物學(xué)能力 進(jìn)行了基因改造，在其中對(duì)新月形細(xì)菌 Caulobacter crescentus進(jìn)行了基因修飾，以提取稀土金屬并檢測(cè)鈾沉積，該研究人員在-新論文中探索了生物印刷幾何形狀對(duì)微生物功能的影響。

在一組實(shí)驗(yàn)中，研究人員比較了不同生物打印圖案中稀土金屬的回收率，結(jié)果表明，打印在3D網(wǎng)格中的細(xì)胞可以比傳統(tǒng)的塊狀水凝膠更快地吸收金屬離子。該小組還印制了活體鈾傳感器，與對(duì)照印刷品相比，觀察到了工程細(xì)菌的熒光增強(qiáng)。

“這些具有增強(qiáng)的微生物功能和傳質(zhì)特性的有效生物材料的開(kāi)發(fā)對(duì)許多生物應(yīng)用具有重要意義，”合著者和LLNL微生物學(xué)家焦永欽說(shuō)。“新穎的生物打印平臺(tái)不僅可以通過(guò)優(yōu)化的幾何形狀提高系統(tǒng)性能和可擴(kuò)展性，而且還能保持細(xì)胞活力并能夠長(zhǎng)期保存。”