勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種新的方法，可以將活的微生物以可控的模式進(jìn)行3D打印，擴(kuò)大了使用工程細(xì)菌回收稀土金屬、清潔廢水、檢測(cè)鈾等方面的潛力。
通過一種利用光和細(xì)菌注入的樹脂來生產(chǎn)3D圖案的微生物的新技術(shù)，研究小組成功地打印了類似于現(xiàn)實(shí)世界中普遍存在的微生物群落薄層的人工生物膜。研究小組將細(xì)菌懸浮在光敏生物樹脂中，并利用LLNL開發(fā)的用于微生物生物打印的立體光刻設(shè)備（SLAM）3D打印機(jī)的LED光將微生物"困"在3D結(jié)構(gòu)中。這臺(tái)投影立體光刻機(jī)能夠以18微米的高分辨率進(jìn)行打印，幾乎和人體細(xì)胞的直徑一樣薄。
在這篇在線發(fā)表于《納米快報(bào)》的論文中，研究人員證明了該技術(shù)可以有效地用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)明確的微生物群體。他們證明了這種3D打印的生物膜在鈾生物傳感和稀土生物開采應(yīng)用中的適用性，并展示了幾何形狀如何影響打印材料的性能。
“我們正試圖推動(dòng)3D微生物培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，”主要研究者和LLNL生物工程師William"Rick"Hynes說：“我們認(rèn)為這是一個(gè)研究非常不足的領(lǐng)域，它的重要性還沒有被充分理解。我們正在努力開發(fā)工具和技術(shù)，研究人員可以利用這些工具和技術(shù)更好地研究微生物在幾何上復(fù)雜但高度受控的條件下的行為。通過訪問和加強(qiáng)對(duì)微生物種群的三維結(jié)構(gòu)有更大控制的應(yīng)用方法，我們將能夠直接影響它們?nèi)绾蜗嗷プ饔茫⒏纳粕镏圃焐a(chǎn)過程中的系統(tǒng)性能。”
雖然看起來很簡(jiǎn)單，但Hynes解釋說，微生物的行為實(shí)際上是非常復(fù)雜的，是由其環(huán)境的時(shí)空特征驅(qū)動(dòng)的，包括微生物群體成員的幾何組織。Hynes說，微生物的組織方式可以影響一系列的行為，例如它們?nèi)绾魏秃螘r(shí)生長(zhǎng)，它們吃什么，它們?nèi)绾魏献鳎鼈內(nèi)绾蔚钟?jìng)爭(zhēng)對(duì)手以及它們產(chǎn)生什么分子。
Hynes解釋說，以前在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)生物膜的方法為科學(xué)家提供了對(duì)膜內(nèi)微生物組織的少量控制，限制了充分了解自然界中細(xì)菌群落的復(fù)雜相互作用的能力。3D生物打印微生物的能力將使LLNL的科學(xué)家們能夠更好地觀察細(xì)菌在其自然棲息地的功能，并研究微生物電合成等技術(shù)，其中“食電”細(xì)菌在非高峰時(shí)段轉(zhuǎn)換剩余電力以生產(chǎn)生物燃料和生物化學(xué)品。
Hynes補(bǔ)充說，目前，微生物電合成是有限的，因?yàn)殡姌O（通常是電線或2D表面）和細(xì)菌之間的對(duì)接是低效的。通過3D打印設(shè)備中的微生物與導(dǎo)電材料相結(jié)合，工程師們應(yīng)該實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性的生物材料，并大大擴(kuò)展和增強(qiáng)電極-微生物界面，從而形成更高效的電合成系統(tǒng)。
工業(yè)界對(duì)生物膜越來越感興趣，它們被用來修復(fù)碳?xì)浠衔铮厥贞P(guān)鍵金屬，清除船上的藤壺，并作為各種天然和人造化學(xué)物質(zhì)的生物傳感器。在LLNL的合成生物學(xué)能力的基礎(chǔ)上，LLNL的研究人員在最新的論文中探討了生物打印的幾何形狀對(duì)微生物功能的影響，在那里，細(xì)菌新月柄桿菌經(jīng)過基因改造被用于提取稀土金屬和探測(cè)鈾礦。
在一組實(shí)驗(yàn)中，研究人員比較了不同生物印刷圖案中的稀土金屬的回收情況，并表明在三維網(wǎng)格中印刷的細(xì)胞可以比在傳統(tǒng)的散裝水凝膠中更快地吸收金屬離子。該團(tuán)隊(duì)還打印了活體鈾傳感器，與對(duì)照打印相比，觀察到工程細(xì)菌的熒光增加。
“這些具有增強(qiáng)微生物功能和質(zhì)量傳輸特性的有效生物材料的開發(fā)對(duì)許多生物應(yīng)用具有重要意義，”共同作者和LLNL微生物學(xué)家焦永欽說。“新的生物打印平臺(tái)不僅通過優(yōu)化幾何形狀提高了系統(tǒng)性能和可擴(kuò)展性，而且保持了細(xì)胞的活力并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期儲(chǔ)存。”
LLNL的研究人員正在繼續(xù)努力開發(fā)更復(fù)雜的3D晶格，并創(chuàng)造具有更好的打印和生物性能的新生物樹脂。他們正在評(píng)估導(dǎo)電材料，如碳納米管和水凝膠，以傳輸電子和喂養(yǎng)生物打印的電營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌，以提高微生物電合成應(yīng)用中的生產(chǎn)效率。該團(tuán)隊(duì)還在確定如何最好地優(yōu)化生物印刷電極的幾何形狀，以使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)品通過該系統(tǒng)的質(zhì)量運(yùn)輸最大化。
LLNL生物工程師和共同作者M(jìn)onica Moya說：“我們只是剛剛開始了解結(jié)構(gòu)如何支配微生物行為，這項(xiàng)技術(shù)是朝著這個(gè)方向邁出的一步。操縱微生物和它們的生理化學(xué)環(huán)境以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，有一系列的應(yīng)用，包括生物制造、補(bǔ)救、生物傳感/檢測(cè)，甚至開發(fā)工程化的活體材料--這些材料是自主模式的，可以自我修復(fù)或感知/響應(yīng)它們的環(huán)境。”
