勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)的研究人員將細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打印機的立體光刻設備的LED光將細菌“捕獲”在3D結(jié)構(gòu)中。投影立體光刻機可以以18微米量級的高分辨率進行打印-幾乎與人體細胞的直徑一樣薄。圖由Thomas Reason / LLNL攝。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們開發(fā)了一種以受控模式進行3D打印活微生物的新方法，從而擴大了利用工程細菌回收稀土金屬，清潔廢水，檢測鈾等的潛力。

通過使用注入光和細菌的樹脂來產(chǎn)生3-D模式微生物的新技術，研究團隊成功地印刷了類似于現(xiàn)實世界中微生物群落薄層的人造生物膜。該研究小組將細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備(SLAM)3-D打印機的LED光將微生物“捕獲”在3-D結(jié)構(gòu)中。投影立體光刻機可以18微米量級的高分辨率打印-幾乎與人體細胞的直徑一樣薄。

在發(fā)表在《納米快報》(Nano Letters)期刊上的論文中，研究人員證明了該技術可有效用于設計結(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3-D微生物培養(yǎng)技術的發(fā)展。“我們認為這是一個研究不足的領域，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，研究人員可使用這些工具和技術來更好地研究微生物在幾何復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)來增強應用方法，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。”

盡管看似簡單，但海因斯解釋說，微生物行為實際上極為復雜，并且受其環(huán)境的時空特性(包括微生物群落成員的幾何組織)驅(qū)動。海因斯說，微生物的組織方式會影響一系列行為，例如它們?nèi)绾紊L，何時生長，飲食，如何合作，如何抵御競爭對手以及如何產(chǎn)生分子。

Hynes解釋說，以前實驗室中生產(chǎn)生物膜的方法使科學家?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菌群落中復雜相互作用的能力。在3-D模式下對微生物進行生物打印的能力將使LLNL科學家能夠更好地觀察細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，其中“吃電子的”細菌(電養(yǎng)菌)在非高峰期將多余的電能轉(zhuǎn)化為電能小時來生產(chǎn)生物燃料和生物化學物質(zhì)。

Hynes補充說，目前，由于電極(通常是導線或二維表面)與細菌之間的接口效率低下，微生物的電合成受到了限制。通過在與導電材料結(jié)合的設備中進行3-D打印微生物，工程師應實現(xiàn)具有高度擴展和增強的電極-微生物界面的高導電生物材料，從而產(chǎn)生更加高效的電合成系統(tǒng)。

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

在一組實驗中，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，與對照印刷品相比，觀察到了工程細菌的熒光增強。

共同作者和LLNL微生物學家焦永欽說：“具有增強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)對許多生物應用具有重要意義。” “新穎的生物打印平臺不僅可以通過優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)性能和可擴展性，而且還能保持細胞活力并能夠長期保存。”

LLNL研究人員正在繼續(xù)致力于開發(fā)更復雜的3-D晶格并創(chuàng)建具有更好印刷和生物學性能的新型生物樹脂。他們正在評估諸如碳納米管和水凝膠之類的導電材料，以傳輸電子，并進料生物印染的電營養(yǎng)細菌，以提高微生物電合成應用中的生產(chǎn)效率。該團隊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)運送大量營養(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，這項技術是朝這個方向邁出的一步。” “操縱微生物及其理化環(huán)境以實現(xiàn)更復雜的功能具有一系列應用，包括生物制造，修復，生物感測/檢測甚至工程生物材料的開發(fā)，這些材料是自動圖案化的，可以自我修復或感知/響應他們的環(huán)境。”

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