Ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) разработали новый метод 3D-печати живых микробов по контролируемым образцам, расширяя возможности использования искусственно созданных бактерий для извлечения редкоземельных металлов, очистки сточных вод, обнаружения урана и многого другого.
С помощью новой системы, в которой используется свет и смола, наполненная бактериями, для создания микробов с трехмерным рисунком, исследовательская группа успешно напечатала искусственные биопленки, напоминающие тонкие слои микробных сообществ, распространенных в реальном мире. Исследовательская группа приостановила бактерии в светочувствительных биорезитах и "заманила" микробы в трехмерные структуры с помощью светодиодного света от 3D-принтера стереолитографического устройства для микробной биопечати (SLAM), разработанного LLNL. Проекционная стереолитографическая машина может печатать с высоким разрешением порядка 18 микрон — почти такой же толщины, как диаметр человеческой клетки.
В статье, опубликованной в журнале Nano Letters, исследователи доказали, что эту технологию можно эффективно использовать для создания структурно определенных микробных сообществ. Они продемонстрировали применимость таких напечатанных на 3D-принтере биопленок для биочувствительности урана и биодобычи редкоземельных элементов и показали, как геометрия влияет на характеристики печатных материалов.
Несмотря на кажущуюся простоту, авторы работы объясняют, что поведение микробов на самом деле чрезвычайно сложно и определяется пространственно-временными характеристиками их среды, включая геометрическую организацию членов микробного сообщества. То, как устроены микробы, может влиять на ряд форм поведения, например, как и когда они растут, что едят, как взаимодействуют, как защищаются от конкурентов и какие молекулы производят.
Предыдущие методы производства биопленок в лаборатории не давали ученым возможности контролировать микробную организацию в пленке, что ограничивало возможность полного понимания сложных взаимодействий, наблюдаемых в бактериальных сообществах в естественном мире. Возможность биопечати микробов в 3D позволит ученым LLNL лучше наблюдать, как бактерии функционируют в их естественной среде обитания, и исследовать такие технологии, как микробный электросинтез, при котором бактерии, питающиеся электронами (электротрофы), преобразуют излишки электроэнергии в непиковые часы в производить биотопливо и биохимические продукты.
В настоящее время микробный электросинтез ограничен, поскольку взаимодействие между электродами (обычно проволокой или двумерной поверхностью) и бактериями неэффективно. С помощью трехмерной печати микробов в устройствах в сочетании с проводящими материалами инженеры должны получить высокопроводящий биоматериал с значительно расширенным и улучшенным интерфейсом электрод-микроб, что приведет к гораздо более эффективным системам электросинтеза.
Биопленки представляют все больший интерес для промышленности, где они используются для восстановления углеводородов, восстановления критических металлов, удаления ракушек с судов и в качестве биосенсоров для различных природных и искусственных химикатов. Основываясь на возможностях синтетической биологии в LLNL, где бактерия Caulobacter crescentus была генетически модифицирована для извлечения редкоземельных металлов и обнаружения урановых отложений, исследователи LLNL исследовали влияние геометрии биопечати на микробную функцию.
В одной серии экспериментов исследователи сравнили восстановление редкоземельных металлов в различных образцах биопечати и показали, что клетки, напечатанные в трехмерной сетке, могут поглощать ионы металлов намного быстрее, чем в обычных объемных гидрогелях. Команда также напечатала датчики из живого урана, наблюдая повышенную флуоресценцию искусственно созданных бактерий по сравнению с контрольными отпечатками.
Исследователи LLNL продолжают работать над разработкой более сложных трехмерных решеток и созданием новых биорезинов с лучшими печатными и биологическими характеристиками. Они оценивают проводящие материалы, такие как углеродные нанотрубки и гидрогели, для переноса электронов, и электротрофные бактерии с биопечатью для повышения эффективности производства в приложениях микробного электросинтеза. Команда также определяет, как наилучшим образом оптимизировать геометрию электрода с биопечатью для максимального увеличения массопереноса питательных веществ и продуктов через систему.