電離放射線の生物学的検出用に人工細菌を搭載した 3D プリントされたゼラチン/アルギン酸ナトリウム複合ハイドロゲル

電離放射線の生物学的検出用に人工細菌を搭載した 3D プリントされたゼラチン/アルギン酸ナトリウム複合ハイドロゲル
出典: バイオデザイン・製造 (BDM)

この研究論文は、環境要因を検出するために細菌を操作するためのキャリアの準備と製造に焦点を当てています。工学的に作られた細菌は、環境中の化学毒素、重金属、放射性物質などの有害因子を検出するために広く応用されていますが、工学的に作られた細菌自体の限界により、そのほとんどは外部環境の現場では使用できません。近年、バイオ3Dプリントハイドロゲルは、生きた細胞培養、組織工学などで広く使用されています。細胞の活性を確保しながら、さまざまな応用シナリオに応じて形状をカスタマイズすることもできるため、人工細菌の現場での応用の問題を解決することが期待されています。本研究は、環境中の電離放射線の検出という問題から始まりました。遺伝子組み換え細菌を構築し、その性能に応じてスクリーニングすることで、電離放射線の誘導下で緑色の蛍光シグナルを生成することができる放射線応答性遺伝子組み換え細菌が得られました。ゼラチンとアルギン酸ナトリウムを主原料として、異なる配合のハイドロゲルを設計し、ゲル化特性、圧縮特性、印刷性を比較して最適なハイドロゲルキャリアをスクリーニングしました。人工細菌をハイドロゲルキャリアに充填し、生存率と蛍光強度の検出により、3Dプリントされたハイドロゲルは生きた細菌の優れたキャリアとして機能し、培養培地に匹敵する培養条件、サポート、保護を人工細菌に提供できることがわかりました。最終的に 3D プリントされた細菌を充填したゼラチン / アルギン酸ナトリウム複合ハイドロゲルは、電離放射線にさらされると緑色の蛍光を発し、環境中の電離放射線の報告を実現します。この研究で使用されたバイオ 3D 印刷ハイドロゲル技術は、環境モニタリング アプリケーションを実現するための細菌工学の新しい戦略と、環境電離放射線モニタリングの新しい方法を提供します。


図 1 放射線応答性遺伝子組み換え細菌を搭載した 3D プリントされたゼラチン/アルギン酸ナトリウム複合ハイドロゲルの設計原理図。図 2 放射線応答性プラスミドと遺伝子組み換え細菌の構築と特性評価。 (a) 放射線応答性プラスミド pEC-PrecA::egfp の構築プロセスの概略図。(b) 放射線照射前と照射後の放射線応答性遺伝子組み換え細菌の蛍光顕微鏡画像。 EC-1: DH5α をシャーシ株とする放射線応答性遺伝子組み換え細菌。EC-2: BL21 をシャーシ株とする放射線応答性遺伝子組み換え細菌。EC-3: 野生型大腸菌 (ATCC25922) をシャーシ株とする放射線応答性遺伝子組み換え細菌 図 3 ゼラチン/アルギン酸ナトリウム複合ハイドロゲルの 3D 印刷効果。 (a) 押し出し 3D 印刷の概略図、(b) 3D 印刷中のさまざまな温度での押し出されたフィラメントの状態 (図では HGA を例として示しています)、(c) さまざまな配合の複合ハイドロゲルのさまざまな層の 3D 印刷効果、(d) さまざまな形状の HGA の 3D 印刷効果。 LGA: 低濃度ゼラチン/アルギン酸ナトリウムハイドロゲル (ゼラチン 5%、アルギン酸ナトリウム 1.25%)、LGAC: 低濃度ゼラチン/アルギン酸ナトリウム/セルロースナノクリスタルハイドロゲル (ゼラチン 5%、アルギン酸ナトリウム 1.25%、セルロースナノクリスタル 0.25%)、HGA: 高濃度ゼラチン/アルギン酸ナトリウムハイドロゲル (ゼラチン 10%、アルギン酸ナトリウム 1.25%)、HGAC: 高濃度ゼラチン/アルギン酸ナトリウム/セルロースナノクリスタルハイドロゲル (ゼラチン 10%、アルギン酸ナトリウム 1.25%、セルロースナノクリスタル 0.25%)
図 4 人工細菌を搭載した 3D プリント複合ハイドロゲルの蛍光強度。 (a) EC-4 を搭載した 3D プリント HGA の共焦点顕微鏡画像。(b) 放射線応答性遺伝子組み換え細菌を搭載した 3D プリント ゼラチン/アルギン酸ナトリウム複合ハイドロゲルの照射前と照射後の共焦点顕微鏡画像。 EC-4: 緑色蛍光を恒常的に生成できる遺伝子組み換え大腸菌。陽性対照として使用される。
生物学

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