科学家开发出3D打印活微生物的新方法 以增强生物材料

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家们已经开发出一种新的方法，可以将活的微生物以可控的模式进行3D打印，扩大了使用工程细菌回收稀土金属、清洁废水、检测铀等方面的潜力。

通过一种利用光和细菌注入的树脂来生产3D图案的微生物的新技术，研究小组成功地打印了类似于现实世界中普遍存在的微生物群落薄层的人工生物膜。研究小组将细菌悬浮在光敏生物树脂中，并利用LLNL开发的用于微生物生物打印的立体光刻设备（SLAM）3D打印机的LED光将微生物"困"在3D结构中。这台投影立体光刻机能够以18微米的高分辨率进行打印，几乎和人体细胞的直径一样薄。
在这篇在线发表于《纳米快报》的论文中，研究人员证明了该技术可以有效地用于设计结构明确的微生物群体。他们证明了这种3D打印的生物膜在铀生物传感和稀土生物开采应用中的适用性，并展示了几何形状如何影响打印材料的性能。
“我们正试图推动3D微生物培养技术的发展，”主要研究者和LLNL生物工程师William"Rick"Hynes说：“我们认为这是一个研究非常不足的领域，它的重要性还没有被充分理解。我们正在努力开发工具和技术，研究人员可以利用这些工具和技术更好地研究微生物在几何上复杂但高度受控的条件下的行为。通过访问和加强对微生物种群的三维结构有更大控制的应用方法，我们将能够直接影响它们如何相互作用，并改善生物制造生产过程中的系统性能。”
虽然看起来很简单，但Hynes解释说，微生物的行为实际上是非常复杂的，是由其环境的时空特征驱动的，包括微生物群体成员的几何组织。Hynes说，微生物的组织方式可以影响一系列的行为，例如它们如何和何时生长，它们吃什么，它们如何合作，它们如何抵御竞争对手以及它们产生什么分子。

Hynes解释说，以前在实验室中生产生物膜的方法为科学家提供了对膜内微生物组织的少量控制，限制了充分了解自然界中细菌群落的复杂相互作用的能力。3D生物打印微生物的能力将使LLNL的科学家们能够更好地观察细菌在其自然栖息地的功能，并研究微生物电合成等技术，其中“食电”细菌在非高峰时段转换剩余电力以生产生物燃料和生物化学品。
Hynes补充说，目前，微生物电合成是有限的，因为电极（通常是电线或2D表面）和细菌之间的对接是低效的。通过3D打印设备中的微生物与导电材料相结合，工程师们应该实现高导电性的生物材料，并大大扩展和增强电极-微生物界面，从而形成更高效的电合成系统。
工业界对生物膜越来越感兴趣，它们被用来修复碳氢化合物，回收关键金属，清除船上的藤壶，并作为各种天然和人造化学物质的生物传感器。在LLNL的合成生物学能力的基础上，LLNL的研究人员在最新的论文中探讨了生物打印的几何形状对微生物功能的影响，在那里，细菌新月柄杆菌经过基因改造被用于提取稀土金属和探测铀矿。
在一组实验中，研究人员比较了不同生物印刷图案中的稀土金属的回收情况，并表明在三维网格中印刷的细胞可以比在传统的散装水凝胶中更快地吸收金属离子。该团队还打印了活体铀传感器，与对照打印相比，观察到工程细菌的荧光增加。
“这些具有增强微生物功能和质量传输特性的有效生物材料的开发对许多生物应用具有重要意义，”共同作者和LLNL微生物学家焦永钦说。“新的生物打印平台不仅通过优化几何形状提高了系统性能和可扩展性，而且保持了细胞的活力并实现了长期储存。”
LLNL的研究人员正在继续努力开发更复杂的3D晶格，并创造具有更好的打印和生物性能的新生物树脂。他们正在评估导电材料，如碳纳米管和水凝胶，以传输电子和喂养生物打印的电营养细菌，以提高微生物电合成应用中的生产效率。该团队还在确定如何最好地优化生物印刷电极的几何形状，以使营养物质和产品通过该系统的质量运输最大化。
LLNL生物工程师和共同作者Monica Moya说：“我们只是刚刚开始了解结构如何支配微生物行为，这项技术是朝着这个方向迈出的一步。操纵微生物和它们的生理化学环境以实现更复杂的功能，有一系列的应用，包括生物制造、补救、生物传感/检测，甚至开发工程化的活体材料--这些材料是自主模式的，可以自我修复或感知/响应它们的环境。”