实验室3D打印微生物以增强生物材料

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的研究人员将细菌悬浮在光敏生物树脂中，并使用LLNL开发的用于微生物生物打印3D打印机的立体光刻设备的LED光将细菌“捕获”在3D结构中。投影立体光刻机可以以18微米量级的高分辨率进行打印-几乎与人体细胞的直径一样薄。图由Thomas Reason / LLNL摄。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们开发了一种以受控模式进行3D打印活微生物的新方法，从而扩大了利用工程细菌回收稀土金属，清洁废水，检测铀等的潜力。

通过使用注入光和细菌的树脂来产生3-D模式微生物的新技术，研究团队成功地印刷了类似于现实世界中微生物群落薄层的人造生物膜。该研究小组将细菌悬浮在光敏生物树脂中，并使用LLNL开发的用于微生物生物打印的立体光刻设备(SLAM)3-D打印机的LED光将微生物“捕获”在3-D结构中。投影立体光刻机可以18微米量级的高分辨率打印-几乎与人体细胞的直径一样薄。

在发表在《纳米快报》(Nano Letters)期刊上的论文中，研究人员证明了该技术可有效用于设计结构明确的微生物群落。他们展示了这种3D打印的生物膜在铀生物传感和稀土生物采矿应用中的适用性，并展示了几何形状如何影响印刷材料的性能。

首席研究员和LLNL生物工程师William“ Rick” Hynes说：“我们正在努力推动3-D微生物培养技术的发展。“我们认为这是一个研究不足的领域，其重要性尚未得到很好的理解。我们正在努力开发工具和技术，研究人员可使用这些工具和技术来更好地研究微生物在几何复杂但受到高度控制的条件下的行为。通过更好地控制微生物种群的3-D结构来增强应用方法，我们将能够直接影响它们彼此之间的相互作用方式，并改善生物制造生产过程中的系统性能。”

尽管看似简单，但海因斯解释说，微生物行为实际上极为复杂，并且受其环境的时空特性(包括微生物群落成员的几何组织)驱动。海因斯说，微生物的组织方式会影响一系列行为，例如它们如何生长，何时生长，饮食，如何合作，如何抵御竞争对手以及如何产生分子。

Hynes解释说，以前实验室中生产生物膜的方法使科学家几乎无法控制膜中的微生物组织，从而限制了人们充分了解自然界细菌群落中复杂相互作用的能力。在3-D模式下对微生物进行生物打印的能力将使LLNL科学家能够更好地观察细菌在其自然栖息地中的功能，并研究诸如微生物电合成等技术，其中“吃电子的”细菌(电养菌)在非高峰期将多余的电能转化为电能小时来生产生物燃料和生物化学物质。

Hynes补充说，目前，由于电极(通常是导线或二维表面)与细菌之间的接口效率低下，微生物的电合成受到了限制。通过在与导电材料结合的设备中进行3-D打印微生物，工程师应实现具有高度扩展和增强的电极-微生物界面的高导电生物材料，从而产生更加高效的电合成系统。

生物膜对工业的兴趣日益增加，在工业中，生物膜可用于修复碳氢化合物，回收关键金属，清除船上的藤壶以及用作多种天然和人造化学物质的生物传感器。LLNL研究人员利用LLNL的合成生物学能力进行了基因改造，在其中对新月形细菌Caulobacter crescentus进行了基因修饰，以提取稀土金属并检测铀沉积，该研究人员在最新论文中探索了生物印刷几何形状对微生物功能的影响。

在一组实验中，研究人员比较了不同生物打印图案中稀土金属的回收率，结果表明，打印在3-D网格中的细胞可以比传统的块状水凝胶更快地吸收金属离子。该小组还印制了活体铀传感器，与对照印刷品相比，观察到了工程细菌的荧光增强。

共同作者和LLNL微生物学家焦永钦说：“具有增强的微生物功能和传质特性的这些有效生物材料的开发对许多生物应用具有重要意义。” “新颖的生物打印平台不仅可以通过优化的几何结构提高系统性能和可扩展性，而且还能保持细胞活力并能够长期保存。”

LLNL研究人员正在继续致力于开发更复杂的3-D晶格并创建具有更好印刷和生物学性能的新型生物树脂。他们正在评估诸如碳纳米管和水凝胶之类的导电材料，以传输电子，并进料生物印染的电营养细菌，以提高微生物电合成应用中的生产效率。该团队还正在确定如何最佳地优化生物印刷电极的几何形状，以最大程度地通过系统运送大量营养物质和产品。

LLNL生物工程师和合著者莫妮卡·莫亚(Monica Moya)说：“我们才刚刚开始了解结构如何控制微生物行为，这项技术是朝这个方向迈出的一步。” “操纵微生物及其理化环境以实现更复杂的功能具有一系列应用，包括生物制造，修复，生物感测/检测甚至工程生物材料的开发，这些材料是自动图案化的，可以自我修复或感知/响应他们的环境。”

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