“吃金属渣”的生物材料，LLNL科学家开发出可控3D打印活体微生物的新方法

导读：近年来，在废旧金属的回收处理方面，生物降解方法一直未得到有效地开发和应用。尽管生物降解是一种人们普遍认同的高效、环保的处理方法，但工程级微生物细菌的不可控和不确定性给它的应用带来了极大难题，这也是当前科学界亟需解决的问题。

2021年10月17日，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的科学家开发了一种在受控模式下3D打印活微生物的新方法，扩大了使用工程细菌回收稀土金属、清洁废水、检测铀等的潜力。

LLNL的光固化式生分解金属方法

通过使用光和注入细菌的树脂来生产 3D 图案微生物的新技术，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究团队成功打印出类似于现实世界中普遍存在的微生物群落生存的人造生物薄层膜。研究人员将细菌悬浮在光敏生物树脂中，并使用来自 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“捕获”3D 结构中的微生物。投影立体光刻机可以以 18 微米的高分辨率打印——几乎和人类细胞的直径一样薄。

图片来源：Thomas Reason/LLNL 的插图

这篇论文在线发表在《Nano Letters》杂志上，研究人员证明了该技术可以有效地用于设计结构定义的微生物群落。他们展示了这种 3D 打印生物膜在铀生物传感和稀土生物采矿应用中的适用性，并展示了几何形状如何影响打印材料的性能。

图1. 用于微生物（SLAM）生物打印的立体光刻设备的演示。用于SLAM打印的Bio-PμSL打印机的照片（A）。SLAM生物打印过程的示意图（B）。在2倍放大镜下（C）或10倍放大镜下（D），使用表达GFP（绿色）的封装大肠杆菌演示工程生物膜的情况。

首席研究员兼 LLNL 生物工程师William Rick Hynes 说：“我们正在努力推动 3D 微生物培养技术的发展，并认为这是一个仍未充分研究的领域，其重要性尚未得到很好的理解。我们正在努力开发相关工具和技术，研究人员可以使用它们来更好地研究微生物在几何复杂但高度受控的条件下的行为方式。未来，通过探索和改进应用方法，我们可以更好地控制微生物种群的 3D 结构，将能够直接影响它们之间的相互作用，并提高生物制造生产过程中的系统性能。”

虽然看似简单，但海因斯（Hynes）解释说，微生物行为实际上极其复杂，并且受其环境的时空特征驱动，包括微生物群落成员的几何组织。他还表示，微生物的组织方式会影响一系列行为，例如它们的生长方式和时间、它们吃什么、它们如何合作、它们如何保护自己免受竞争对手的侵害以及它们产生的分子。

海因斯解释说，以前在实验室中制备生物膜的传统方法使科学家几乎无法控制膜内的微生物组织，从而限制了充分了解自然界细菌群落中复杂相互作用的能力。以 3D 方式对微生物进行生物打印的能力将使 LLNL 科学家能够更好地观察细菌在其自然栖息地中的功能，并研究微生物电合成等技术。在微生物电合成技术中，那些“吃电子”的细菌（电养菌）能够在非高峰时段将多余的电力转化为生产生物燃料和生物化学品。

Hynes 补充说，目前，微生物电合成受到限制，因为电极（通常是电线或2D平面）和细菌之间的接口效率低下。通过在与导电材料相结合的设备中 3D 打印微生物，工程师应该获得一种具有大大扩展和增强的电极——微生物界面的高导电生物材料，从而产生更高效的电合成系统。

生物膜越来越受到工业界的关注，它们被用于修复碳氢化合物、回收关键金属、去除船上的藤壶以及作为各种天然和人造化学品的生物传感器。以 LLNL 的合成生物学能力为基础，LLNL 研究人员在最新论文中探索了生物打印几何对微生物功能的影响，其中新月柄杆菌经过基因改造可以应用于提取稀土金属并检测铀矿床。

在一组实验中，研究人员比较了不同生物打印图案中稀土金属的回收率。结果表明打印在 3D 网格中的细胞可以比传统的大块水凝胶更快地吸收金属离子。该团队还打印了活铀传感器，观察到与对照打印相比，工程细菌的荧光增加。

合著者和 LLNL 微生物学家Yongqin Jiao 说：“这些具有增强微生物功能和传质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。新型生物打印平台不仅通过优化的几何形状提高了系统性能和可扩展性，而且保持了细胞活力并实现了长期存储。”

LLNL 研究人员正在继续致力于开发更复杂的 3D 网格结构，以及创造出具有更好打印和生物性能的新型生物树脂。他们正在评估导电材料，如碳纳米管和水凝胶，以传输电子和饲料生物打印的电养细菌，以提高微生物电合成应用的生产效率。该团队还在确定如何最好地优化生物打印电极的几何形状，以最大限度地通过系统实现营养物质和产品的质量传输。

LLNL 生物工程师和合著者莫妮卡莫亚说：“我们才刚刚开始了解结构如何控制微生物行为，这项技术是朝着这个方向迈出的一步。操纵微生物及其理化环境以实现更复杂的功能具有广泛的应用，包括生物制造、修复、生物传感/检测，甚至工程生物材料的开发——这些材料具有自主模式，可以自我修复或感知/响应到他们的环境。”

图2. 树脂的特性。3 kDaFITC-葡聚糖在LOW-MW和BLEND-MW树脂中的扩散性（A）。紫外线流变学显示了暴露在405nm光线下的机械性能（B）。60分钟后在LB培养基中固化的树脂的特性。孵化后打印结构的共焦Z型堆栈的侧视图（C），以及初始打印高度（D）和孵化后平均高度变化的特征（E）。

图3. 可行生物量随时间的积累。GFP的强度随时间变化（A）和打印生物膜中的微生物在0和72小时的图像（B）。

图4. 展示了SLAM打印的生物膜的工程复杂性。自上而下（A）和侧视图（B），表达GFP（绿色）的封装大肠杆菌的网格几何的共焦z-堆栈图像，显示了打印复杂性的增加，旋转视图（C），以及自上而下的视图与侧视图插入（D），表达GFP（绿色）或mCherry（红色）的封装大肠杆菌的双物种打印的共焦z堆栈。

图5. SLAM生物打印的生物膜可用于功能性应用，包括微生物吸附和感应。为了吸收稀土元素，工程化的新月菌被封装在两种不同的几何形状中，用于吸收钕。载有细胞的SLAM打印立方体（左）和网格（右）几何形状的宏观图像（A）。充满细胞的构建体中的钕浓度显示，与封装在立方体中的细胞相比，网格几何中的细胞的吸收率增加（B）。每个样品被重复使用3次以创建样品副本。在微生物传感方面，为铀传感而设计的新月菌被封装在BLEND-MW树脂中，并暴露在三种浓度的铀溶液中。由此产生的荧光强度显示，与无铀暴露对照相比，2.5和10μM的铀的荧光增加（C）。一个LLNL的标志打印品，上面有未接触铀（D）或接触10mM铀（E）的封装的新月菌。**表示P值<0.01。

参考文献：《Projection MicrostereolithographicMicrobial Bioprinting for Engineered Biofilms》，KarenDubbin, Ziye Dong, Dan M. Park, Javier Alvarado, Jimmy Su, Elisa Wasson, ClaireRobertson, Julie Jackson, Arpita Bose, Monica L. Moya, Yongqin Jiao and WilliamF. Hynes, 28 January 2021, Nano Letters.

论文DOI：10.1021/acs.nanolett.0c04100

合著者包括 LLNL 科学家和工程师Karen Dubbin、Ziye Dong、Dan Park、Javier Alvarado、Jimmy Su、Elisa Wasson、Claire Robertson 和 Julie Jackson，以及来自圣路易斯华盛顿大学的 Arpita Bose。