Lab 3-D udskriver mikrober for at forbedre biomaterialer

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har udviklet en ny metode til 3-D printning af levende mikrober i kontrollerede mønstre, udvidelse af potentialet for at bruge manipulerede bakterier til at genvinde sjældne jordarters metaller, rent spildevand, opdage uran og mere.

Gennem en ny teknik, der bruger lys og bakterie-infunderet harpiks til at producere 3-D-mønstrede mikrober, forskerholdet printede med succes kunstige biofilm, der ligner de tynde lag af mikrobielle samfund, der er fremherskende i den virkelige verden. Forskerholdet suspenderede bakterierne i lysfølsomme bioresiner og "fangede" mikroberne i 3-D-strukturer ved hjælp af LED-lys fra den LLNL-udviklede Stereolithography Apparatus for Microbial Bioprinting (SLAM) 3-D-printer. Projektionsstereolitografimaskinen kan udskrive i høj opløsning i størrelsesordenen 18 mikron - næsten lige så tynd som diameteren af ​​en menneskelig celle.

I avisen, som står online i journalen Nano bogstaver , forskere beviste, at teknologien kan bruges effektivt til at designe strukturelt definerede mikrobielle samfund. De demonstrerede anvendeligheden af ​​sådanne 3-D-printede biofilm til uranbiosensing og biominedrift af sjældne jordarter og viste, hvordan geometri påvirker ydeevnen af ​​de trykte materialer.

"Vi forsøger at skubbe kanten af ​​3-D mikrobiel dyrkningsteknologi, " sagde hovedefterforsker og LLNL bioingeniør William "Rick" Hynes. "Vi synes, det er et meget underundersøgt rum, og dets betydning er ikke godt forstået endnu. Vi arbejder på at udvikle værktøjer og teknikker, som forskere kan bruge til bedre at undersøge, hvordan mikrober opfører sig i geometrisk komplekse, dog stærkt kontrollerede forhold. Ved at få adgang til og forbedre anvendte tilgange med større kontrol over 3D-strukturen af ​​de mikrobielle populationer, vi vil være i stand til direkte at påvirke, hvordan de interagerer med hinanden og forbedre systemets ydeevne inden for en biofremstillingsproduktionsproces."

Selvom det tilsyneladende er enkelt, Hynes forklarede, at mikrobiel adfærd faktisk er ekstremt kompleks, og er drevet af spatiotemporale karakteristika i deres miljø, herunder den geometriske organisering af mikrobielle samfundsmedlemmer. Hvordan mikrober er organiseret kan påvirke en række adfærd, såsom hvordan og hvornår de vokser, hvad de spiser, hvordan de samarbejder, hvordan de forsvarer sig mod konkurrenter og hvilke molekyler de producerer, sagde Hynes.

Tidligere metoder til fremstilling af biofilm i laboratoriet har givet videnskabsmænd ringe kontrol over mikrobiel organisering i filmen, begrænser evnen til fuldt ud at forstå de komplekse interaktioner, der ses i bakteriesamfund i den naturlige verden, Hynes forklarede. Evnen til at bioprinte mikrober i 3-D vil give LLNL-forskere mulighed for bedre at observere, hvordan bakterier fungerer i deres naturlige habitat, og undersøge teknologier såsom mikrobiel elektrosyntese, hvor "elektronædende" bakterier (elektrotrofer) omdanner overskydende elektricitet i lavsæsonen til at producere biobrændstoffer og biokemikalier.

I øjeblikket, mikrobiel elektrosyntese er begrænset, fordi grænsefladen mellem elektroder (normalt ledninger eller 2-D overflader) og bakterier er ineffektiv, Hynes tilføjet. Ved at 3-D printe mikrober i enheder kombineret med ledende materialer, ingeniører bør opnå et stærkt ledende biomateriale med en stærkt udvidet og forbedret elektrode-mikrobe-grænseflade, resulterer i meget mere effektive elektrosyntesesystemer.

Biofilm er af stigende interesse for industrien, hvor de anvendes til at rense kulbrinter, genvinde kritiske metaller, fjerne smykker fra skibe og som biosensorer for en række naturlige og menneskeskabte kemikalier. Bygger på syntetisk biologi-kapaciteter på LLNL, hvor bakterien Caulobacter crescentus blev genetisk modificeret til at udvinde sjældne jordarters metaller og detektere uranaflejringer, LLNL-forskere undersøgte effekten af ​​bioprintgeometri på mikrobiel funktion i det seneste papir.

I et sæt eksperimenter, forskere sammenlignede genvindingen af ​​sjældne jordarters metaller i forskellige bioprintede mønstre og viste, at celler printet i et 3-D-gitter kan absorbere metalionerne meget hurtigere end i konventionelle bulkhydrogeler. Holdet printede også levende uransensorer, observere øget florescens i de konstruerede bakterier sammenlignet med kontrolprint.

"Udviklingen af ​​disse effektive biomaterialer med forbedrede mikrobielle funktioner og massetransportegenskaber har vigtige konsekvenser for mange bioapplikationer, " sagde medforfatter og LLNL mikrobiolog Yongqin Jiao. "Den nye bioprintplatform forbedrer ikke kun systemets ydeevne og skalerbarhed med optimeret geometri, men bevarer cellernes levedygtighed og muliggør langtidsopbevaring."

LLNL-forskere fortsætter med at arbejde på at udvikle mere komplekse 3-D-gitre og skabe nye bioresiner med bedre udskrivning og biologisk ydeevne. De evaluerer ledende materialer såsom kulstofnanorør og hydrogeler til at transportere elektroner og foder-bioprintede elektrotrofiske bakterier for at øge produktionseffektiviteten i mikrobielle elektrosynteseapplikationer. Holdet er også ved at bestemme, hvordan man bedst optimerer bioprintede elektrodegeometri for at maksimere massetransport af næringsstoffer og produkter gennem systemet.

"Vi er kun lige begyndt at forstå, hvordan struktur styrer mikrobiel adfærd, og denne teknologi er et skridt i den retning, " sagde LLNL bioingeniør og medforfatter Monica Moya. "Manipulation af både mikroberne og deres fysisk-kemiske miljø for at muliggøre mere sofistikeret funktion har en række applikationer, der inkluderer biofremstilling, afhjælpning, biosensing/detektion og endda udvikling af konstruerede levende materialer - materialer, der er autonomt mønstrede og kan selvreparere eller føle/reagere på deres miljø."