科學(xué)家開發(fā)出一種3D打印活微生物的新方法

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（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行3D打印，擴大了使用工程細(xì)菌回收稀土金屬、清潔廢水、檢測鈾等方面的潛力。

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打印機的LED光將微生物"困"在3D結(jié)構(gòu)中。這臺投影立體光刻機能夠以18微米的高分辨率進行打印，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》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。通過訪問和加強對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�，并改善生物制造生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)性能�！�

雖然看起來很簡單，但Hynes解釋說，微生物的行為實際上是非常復(fù)雜的，是由其環(huán)境的時空特征驅(qū)動的，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生長，它們吃什么，它們?nèi)绾魏献鳎�它們�(nèi)绾蔚钟�競爭對手以及它們產(chǎn)生什么分子。

Hynes解釋說，以前在實驗室中生產(chǎn)生物膜的方法為科學(xué)家提供了對膜內(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補充說，目前，微生物電合成是有限的，因為電極（通常是電線或2D表面）和細(xì)菌之間的對接是低效的。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)該實現(xiàn)高導(dǎo)電性的生物材料，并大大擴展和增強電極-微生物界面，從而形成更高效的電合成系統(tǒng)。

工業(yè)界對生物膜越來越感興趣，它們被用來修復(fù)碳?xì)浠�合物，回收關(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鈾礦。

在一組實驗中，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。該團隊還打印了活體鈾傳感器，與對照打印相比，觀察到工程細(xì)菌的熒光增加。

“這些具有增強微生物功能和質(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�！靶碌纳�物打印平臺不僅通過優(yōu)化幾何形狀提高了系統(tǒng)性能和可擴展性，而且保持了細(xì)胞的活力并實現(xiàn)了長期儲存。”

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。該團隊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)量運輸最大化。

LLNL生物工程師和共同作者Monica 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，這項技術(shù)是朝著這個方向邁出的一步。操縱微生物和它們的生理化學(xué)環(huán)境以實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，有一系列的應(yīng)用，包括生物制造、補救、生物傳感/檢測，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�！�