Синтез синтетической биологии и 3D-печати создал программируемые живые материалы

Ученые создают новые материалы, способные расти, самовосстанавливаться и реагировать на окружающую среду, используя клетки. Эти твердые «спроектированные живые материалы» (engineered living materials) формируются путем внедрения клеток в неживую матрицу заданной формы. Исследователи сообщают в ACS Central Science, что они напечатали на 3D-принтере биочернила с растительными клетками, которые затем были генетически модифицированы, что позволило получить программируемые материалы. В будущем это может найти применение в биопроизводстве и устойчивом строительстве.

До сих пор разработка таких материалов в основном опиралась на бактериальные и грибковые клетки. Однако уникальные особенности растительных клеток вызвали интерес к созданию спроектированных растительных живых материалов (engineered plant living materials, EPLMs). Созданные ранее материалы на основе растительных клеток имели простую структуру и ограниченную функциональность.

Цзыи Юй, Чжэньгао Ди и их коллеги решили это изменить, создав EPLMs сложной формы с генетически модифицированными растительными клетками, обладающими настраиваемыми свойствами.

Исследователи смешали клетки табака с желатином и микрогранулами гидрогеля, содержащими Agrobacterium tumefaciens — бактерию, часто используемую для переноса сегментов ДНК в геном растений. Эту смесь биочернил напечатали на 3D-принтере на плоской пластине или внутри контейнера с другим гелем, создавая формы в виде сетки, снежинок, листьев и спиралей.

Затем гидрогель в напечатанных материалах затвердел под действием синего света. В течение последующих 48 часов бактерии в EPLMs перенесли ДНК в растущие клетки табака.

После этого материалы промыли антибиотиками, чтобы убить бактерии. В последующие недели, по мере роста и деления растительных клеток в EPLMs, они начали производить белки, заданные перенесенной ДНК.

В этом исследовании как доказательство концепции перенесенная ДНК заставила клетки табака производить зеленые флуоресцентные белки или беталаины — красные или желтые растительные пигменты, ценные как натуральные красители и пищевые добавки.

Напечатав листовидный EPLM с использованием двух разных биочернил (одни создавали красный пигмент вдоль жилок, другие — желтый в остальной части листа), исследователи показали, что их метод позволяет создавать сложные, пространственно контролируемые и многофункциональные структуры.

Такие EPLMs, сочетающие свойства живых организмов со стабильностью и прочностью неживых веществ, могут, по мнению ученых, использоваться как клеточные фабрики для производства растительных метаболитов или фармацевтических белков, и даже в сфере устойчивого строительства.