科学者らが生体材料を強化するために生きた微生物を3Dプリントする新しい方法を開発

出典: cnBeta.COM

ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の科学者らは、制御されたパターンで生きた微生物を3Dプリントする新しい方法を開発し、遺伝子操作されたバクテリアを使って希土類金属の回収、廃水の浄化、ウランの検出などを行う可能性を広げた。

研究チームは、光とバクテリアを注入した樹脂を使用して3Dパターンの微生物を生成する新しい技術を使用して、現実世界に広く存在する微生物群集の薄層に似た人工バイオフィルムを印刷することに成功しました。研究チームは、細菌を感光性バイオ樹脂に懸濁し、LLNLで開発された微生物バイオプリンティング（SLAM）3Dプリンター用ステレオリソグラフィー装置からのLEDライトを使用して、微生物を3D構造に「閉じ込めた」。投影型ステレオリソグラフィー装置は、人間の細胞の直径とほぼ同じ薄さである 18 ミクロンの高解像度で印刷することができます。

Nano Letters にオンラインで公開された論文で、研究者らは、この技術が構造的に定義された微生物集団を設計するために効果的に使用できることを実証している。彼らは、この 3D プリントされたバイオフィルムがウランバイオセンシングおよび希土類バイオマイニング用途に適していることを実証し、形状が印刷された材料の特性にどのように影響するかを示しました。

「私たちは 3D 微生物培養技術の限界を押し広げようとしています」と、主任研究員で LLNL のバイオエンジニアであるウィリアム・「リック」・ハインズは述べています。「これはあまり研究されていない分野であり、その重要性は十分に理解されていないと考えています。私たちは、研究者が幾何学的に複雑でありながら高度に制御された条件下で微生物の行動をよりよく研究するために使用できるツールと技術の開発に取り組んでいます。微生物集団の 3D 構造をより細かく制御して適用方法にアクセスし、強化することで、バイオ製造生産中の相互作用に直接影響を与え、システムのパフォーマンスを向上させることができます。」

一見単純に見えますが、微生物の行動は実際には非常に複雑であり、微生物群集メンバーの幾何学的組織化など、環境の空間的・時間的特性によって左右されるとハインズ氏は説明しています。微生物の組織化の仕方は、微生物がいつどのように成長するか、何を食べるか、どのように協力するか、競争相手からどのように身を守るか、どのような分子を生成するかなど、さまざまな行動に影響を与える可能性があるとハインズ氏は述べた。

これまでの研究室でバイオフィルムを製造する方法では、科学者はフィルム内の微生物の組織をほとんど制御できず、自然界の細菌群集の複雑な相互作用を完全に理解することが困難だったとハインズ氏は説明した。微生物を 3D バイオプリントする能力により、LLNL の科学者は、細菌が自然の生息地でどのように機能するかをよりよく観察し、「電気を食べる」細菌がオフピーク時に余剰電力を変換してバイオ燃料や生化学物質を生成する微生物電気合成などの技術を調査できるようになります。

ハインズ氏は、現在、電極（通常はワイヤーまたは2D表面）と細菌との間のインターフェースが非効率的であるため、微生物による電気合成には限界があると付け加えた。 3D プリントされたデバイスで微生物と導電性材料を組み合わせることで、エンジニアは導電性の高い生体材料を実現し、電極と微生物のインターフェースを大幅に拡張および強化して、より効率的な電気合成システムを実現できるはずです。

バイオフィルムは炭化水素の修復、重要な金属の回収、船舶からのフジツボの除去、さまざまな天然および人工化学物質のバイオセンサーとして使用されるなど、業界の関心が高まっています。 LLNL の合成生物学能力を基に、LLNL の研究者は最新の論文でバイオプリントされた形状が微生物の機能に与える影響を調査しました。この論文では、細菌 Caulobacter crescentus を遺伝子組み換えして、希土類金属を抽出し、ウランを検出できるようにしました。

一連の実験で、研究者らはさまざまなバイオプリントパターンからの希土類金属の回収を比較し、3Dグリッドでプリントされた細胞は従来のバルクハイドロゲルでプリントされた細胞よりも速く金属イオンを取り込むことができることを示しました。研究チームは生きたウランセンサーも印刷し、対照印刷物と比較して、遺伝子操作された細菌からの蛍光が増加するのを観察した。

「微生物の機能性と物質輸送特性を強化したこれらの効果的な生体材料の開発は、多くの生物学的応用にとって非常に意義深い」と、共著者でLLNLの微生物学者であるヨンチン・ジャオ氏は述べた。「新しいバイオプリンティングプラットフォームは、形状を最適化することでシステムのパフォーマンスと拡張性を向上させるだけでなく、細胞の生存率を維持し、長期保存を可能にします。」

LLNL の研究者たちは、より複雑な 3D 格子を開発し、印刷とバイオパフォーマンスが向上した新しいバイオ樹脂を作成するための取り組みを続けています。彼らは、カーボンナノチューブやハイドロゲルなどの導電性材料を評価し、電子を輸送してバイオプリントされた電気栄養細菌に供給し、微生物電気合成アプリケーションにおける生産効率を向上させています。研究チームはまた、システムを通じて栄養素や製品の大量輸送を最大化するために、バイオプリント電極の形状を最適化する方法を検討しています。

「構造が微生物の行動を左右する仕組みを理解し始めたばかりで、この技術はその方向への第一歩です」と、LLNL のバイオエンジニアで共著者のモニカ・モヤ氏は語ります。「微生物とその生理化学的環境を操作してより複雑な機能を実現することは、バイオ製造、修復、バイオセンシング/検出、さらには自律的にパターン化されて自己修復したり環境を感知/反応したりする人工生体材料の開発など、さまざまな用途があります。」

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