Учёные создали метод 3D-печати живых микробов для улучшения биоматериалов

Учёные из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) разработали новый метод 3D-печати живых микробов в контролируемых структурах. Это расширяет потенциал использования инженерных бактерий для извлечения редкоземельных металлов, очистки сточных вод, обнаружения урана и других задач.

Новая технология использует свет и смолу, содержащую бактерии, для создания трёхмерных структур микробов. Исследователи успешно напечатали искусственные биоплёнки, напоминающие тонкие слои микробных сообществ, распространённые в природе. Бактерии суспендировали в фоточувствительных биосмолах и «запечатывали» в 3D-структурах с помощью светодиодного света 3D-принтера SLAM (Stereolithographic Apparatus for Microbial Bioprinting), разработанного в LLNL. Этот проекционный стереолитографический аппарат может печатать с высоким разрешением порядка 18 микрон — почти как диаметр человеческой клетки.

В статье, опубликованной в журнале Nano Letters, исследователи доказали, что технологию можно эффективно использовать для создания структурно определённых микробных сообществ. Они продемонстрировали применимость таких 3D-напечатанных биоплёнок для биосенсоринга урана и биодобычи редкоземельных элементов, а также показали, как геометрия влияет на производительность материалов.

Почему важна 3D-организация микробов

Поведение микробов крайне сложно и зависит от пространственно-временных характеристик их среды, включая геометрическую организацию членов сообщества. То, как организованы микробы, влияет на их рост, питание, кооперацию, защиту от конкурентов и выработку молекул.

Предыдущие методы создания биоплёнок в лаборатории давали учёным мало контроля над организацией микробов внутри плёнки. Возможность 3D-биопечати позволит лучше наблюдать, как бактерии функционируют в своей естественной среде, и исследовать такие технологии, как микробный электросинтез. В нём бактерии, «поедающие» электроны (электоротрофы), преобразуют избыточное электричество в биотопливо и биохимикаты.

Эксперименты и результаты

• В экспериментах по извлечению редкоземельных металлов клетки, напечатанные в виде 3D-сетки, поглощали ионы металлов гораздо быстрее, чем в обычных объёмных гидрогелях.
• Также были напечатаны живые сенсоры урана, в которых наблюдалось усиление флуоресценции у генетически модифицированных бактерий по сравнению с контрольными образцами.

Будущие направления

Исследователи LLNL продолжают работу над:

• Созданием более сложных 3D-решёток.
• Разработкой новых биосмол с улучшенными печатными и биологическими свойствами.
• Оценкой проводящих материалов, таких как углеродные нанотрубки и гидрогели, для транспорта электронов и питания напечатанных электротрофных бактерий.
• Оптимизацией геометрии бионапечатанных электродов для максимизации массопереноса питательных веществ и продуктов в системе.

Эта технология открывает путь к созданию инженерных живых материалов, которые могут автономно формировать структуру, самовосстанавливаться или чувствовать и реагировать на окружающую среду.