勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory)的研究人員將細(xì)菌懸浮在光敏生物樹脂中，并使用LLNL開發(fā)的用于微生物生物打印3D打印機(jī)的立體光刻設(shè)備的LED光將細(xì)菌“捕獲”在3D結(jié)構(gòu)中。投影立體光刻機(jī)可以以18微米量級(jí)的高分辨率進(jìn)行打印-幾乎與人體細(xì)胞的直徑一樣薄。圖由Thomas Reason / LLNL攝。

勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家們開發(fā)了一種以受控模式進(jìn)行3D打印活微生物的新方法，從而擴(kuò)大了利用工程細(xì)菌回收稀土金屬，清潔廢水，檢測(cè)鈾等的潛力。

通過使用注入光和細(xì)菌的樹脂來產(chǎn)生3-D模式微生物的新技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功地印刷了類似于現(xiàn)實(shí)世界中微生物群落薄層的人造生物膜。該研究小組將細(xì)菌懸浮在光敏生物樹脂中，并使用LLNL開發(fā)的用于微生物生物打印的立體光刻設(shè)備(SLAM)3-D打印機(jī)的LED光將微生物“捕獲”在3-D結(jié)構(gòu)中。投影立體光刻機(jī)可以18微米量級(jí)的高分辨率打印-幾乎與人體細(xì)胞的直徑一樣薄。

在發(fā)表在《納米快報(bào)》(Nano Letters)期刊上的論文中，研究人員證明了該技術(shù)可有效用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)明確的微生物群落。他們展示了這種3D打印的生物膜在鈾生物傳感和稀土生物采礦應(yīng)用中的適用性，并展示了幾何形狀如何影響印刷材料的性能。

首席研究員和LLNL生物工程師William“ Rick” Hynes說：“我們正在努力推動(dòng)3-D微生物培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展。“我們認(rèn)為這是一個(gè)研究不足的領(lǐng)域，其重要性尚未得到很好的理解。我們正在努力開發(fā)工具和技術(shù)，研究人員可使用這些工具和技術(shù)來更好地研究微生物在幾何復(fù)雜但受到高度控制的條件下的行為。通過更好地控制微生物種群的3-D結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)應(yīng)用方法，我們將能夠直接影響它們彼此之間的相互作用方式，并改善生物制造生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)性能。”

盡管看似簡(jiǎn)單，但海因斯解釋說，微生物行為實(shí)際上極為復(fù)雜，并且受其環(huán)境的時(shí)空特性(包括微生物群落成員的幾何組織)驅(qū)動(dòng)。海因斯說，微生物的組織方式會(huì)影響一系列行為，例如它們?nèi)绾紊L(zhǎng)，何時(shí)生長(zhǎng)，飲食，如何合作，如何抵御競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手以及如何產(chǎn)生分子。

Hynes解釋說，以前實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)生物膜的方法使科學(xué)家?guī)缀鯚o法控制膜中的微生物組織，從而限制了人們充分了解自然界細(xì)菌群落中復(fù)雜相互作用的能力。在3-D模式下對(duì)微生物進(jìn)行生物打印的能力將使LLNL科學(xué)家能夠更好地觀察細(xì)菌在其自然棲息地中的功能，并研究諸如微生物電合成等技術(shù)，其中“吃電子的”細(xì)菌(電養(yǎng)菌)在非高峰期將多余的電能轉(zhuǎn)化為電能小時(shí)來生產(chǎn)生物燃料和生物化學(xué)物質(zhì)。

Hynes補(bǔ)充說，目前，由于電極(通常是導(dǎo)線或二維表面)與細(xì)菌之間的接口效率低下，微生物的電合成受到了限制。通過在與導(dǎo)電材料結(jié)合的設(shè)備中進(jìn)行3-D打印微生物，工程師應(yīng)實(shí)現(xiàn)具有高度擴(kuò)展和增強(qiáng)的電極-微生物界面的高導(dǎo)電生物材料，從而產(chǎn)生更加高效的電合成系統(tǒng)。

生物膜對(duì)工業(yè)的興趣日益增加，在工業(yè)中，生物膜可用于修復(fù)碳?xì)浠衔?，回收關(guān)鍵金屬，清除船上的藤壺以及用作多種天然和人造化學(xué)物質(zhì)的生物傳感器。LLNL研究人員利用LLNL的合成生物學(xué)能力進(jìn)行了基因改造，在其中對(duì)新月形細(xì)菌Caulobacter crescentus進(jìn)行了基因修飾，以提取稀土金屬并檢測(cè)鈾沉積，該研究人員在最新論文中探索了生物印刷幾何形狀對(duì)微生物功能的影響。

在一組實(shí)驗(yàn)中，研究人員比較了不同生物打印圖案中稀土金屬的回收率，結(jié)果表明，打印在3-D網(wǎng)格中的細(xì)胞可以比傳統(tǒng)的塊狀水凝膠更快地吸收金屬離子。該小組還印制了活體鈾傳感器，與對(duì)照印刷品相比，觀察到了工程細(xì)菌的熒光增強(qiáng)。

共同作者和LLNL微生物學(xué)家焦永欽說：“具有增強(qiáng)的微生物功能和傳質(zhì)特性的這些有效生物材料的開發(fā)對(duì)許多生物應(yīng)用具有重要意義。” “新穎的生物打印平臺(tái)不僅可以通過優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)性能和可擴(kuò)展性，而且還能保持細(xì)胞活力并能夠長(zhǎng)期保存。”

LLNL研究人員正在繼續(xù)致力于開發(fā)更復(fù)雜的3-D晶格并創(chuàng)建具有更好印刷和生物學(xué)性能的新型生物樹脂。他們正在評(píng)估諸如碳納米管和水凝膠之類的導(dǎo)電材料，以傳輸電子，并進(jìn)料生物印染的電營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌，以提高微生物電合成應(yīng)用中的生產(chǎn)效率。該團(tuán)隊(duì)還正在確定如何最佳地優(yōu)化生物印刷電極的幾何形狀，以最大程度地通過系統(tǒng)運(yùn)送大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)品。

LLNL生物工程師和合著者莫妮卡·莫亞(Monica Moya)說：“我們才剛剛開始了解結(jié)構(gòu)如何控制微生物行為，這項(xiàng)技術(shù)是朝這個(gè)方向邁出的一步。” “操縱微生物及其理化環(huán)境以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能具有一系列應(yīng)用，包括生物制造，修復(fù)，生物感測(cè)/檢測(cè)甚至工程生物材料的開發(fā)，這些材料是自動(dòng)圖案化的，可以自我修復(fù)或感知/響應(yīng)他們的環(huán)境。”

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