“吃金屬渣”的生物材料，LLNL科學(xué)家開發(fā)出可控3D打印活體微生物的新方法

導(dǎo)讀：近年來，在廢舊金屬的回收處理方面，生物降解方法一直未得到有效地開發(fā)和應(yīng)用。盡管生物降解是一種人們普遍認(rèn)同的高效、環(huán)保的處理方法，但工程級(jí)微生物細(xì)菌的不可控和不確定性給它的應(yīng)用帶來了極大難題，這也是當(dāng)前科學(xué)界亟需解決的問題。

2021年10月17日，南極熊獲悉，來自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 的科學(xué)家開發(fā)了一種在受控模式下3D打印活微生物的新方法，擴(kuò)大了使用工程細(xì)菌回收稀土金屬、清潔廢水、檢測(cè)鈾等的潛力。

LLNL的光固化式生分解金屬方法

通過使用光和注入細(xì)菌的樹脂來生產(chǎn) 3D 圖案微生物的新技術(shù)，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)成功打印出類似于現(xiàn)實(shí)世界中普遍存在的微生物群落生存的人造生物薄層膜。研究人員將細(xì)菌懸浮在光敏生物樹脂中，并使用來自 LLNL 開發(fā)的用于微生物生物打印的立體光刻設(shè)備 (SLAM) 3D 打印機(jī)的 LED 光“捕獲”3D 結(jié)構(gòu)中的微生物。投影立體光刻機(jī)可以以 18 微米的高分辨率打印——幾乎和人類細(xì)胞的直徑一樣薄。

圖片來源：Thomas Reason/LLNL 的插圖

這篇論文在線發(fā)表在《Nano Letters》雜志上，研究人員證明了該技術(shù)可以有效地用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)定義的微生物群落。他們展示了這種 3D 打印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打印材料的性能。

圖1. 用于微生物（SLAM）生物打印的立體光刻設(shè)備的演示。用于SLAM打印的Bio-PμSL打印機(jī)的照片（A）。SLAM生物打印過程的示意圖（B）。在2倍放大鏡下（C）或10倍放大鏡下（D），使用表達(dá)GFP（綠色）的封裝大腸桿菌演示工程生物膜的情況。

首席研究員兼 LLNL 生物工程師William Rick Hynes 說：“我們正在努力推動(dòng) 3D 微生物培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，并認(rèn)為這是一個(gè)仍未充分研究的領(lǐng)域，其重要性尚未得到很好的理解。我們正在努力開發(fā)相關(guān)工具和技術(shù)，研究人員可以使用它們來更好地研究微生物在幾何復(fù)雜但高度受控的條件下的行為方式。未來，通過探索和改進(jìn)應(yīng)用方法，我們可以更好地控制微生物種群的 3D 結(jié)構(gòu)，將能夠直接影響它們之間的相互作用，并提高生物制造生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)性能�！�

雖然看似簡(jiǎn)單，但海因斯（Hynes）解釋說，微生物行為實(shí)際上極其復(fù)雜，并且受其環(huán)境的時(shí)空特征驅(qū)動(dòng)，包括微生物群落成員的幾何組織。他還表示，微生物的組織方式會(huì)影響一系列行為，例如它們的生長(zhǎng)方式和時(shí)間、它們吃什么、它們?nèi)绾魏献�、它們�(nèi)绾伪Ｗo(hù)自己免受競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的侵害以及它們產(chǎn)生的分子。

海因斯解釋說，以前在實(shí)驗(yàn)室中制備生物膜的傳統(tǒng)方法使科學(xué)家?guī)缀鯚o法控制膜內(nèi)的微生物組織，從而限制了充分了解自然界細(xì)菌群落中復(fù)雜相互作用的能力。以 3D 方式對(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，并研究微生物電合成等技術(shù)。在微生物電合成技術(shù)中，那些“吃電子”的細(xì)菌（電養(yǎng)菌）能夠在非高峰時(shí)段將多余的電力轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)生物燃料和生物化學(xué)品。

Hynes 補(bǔ)充說，目前，微生物電合成受到限制，因?yàn)殡姌O（通常是電線或2D平面）和細(xì)菌之間的接口效率低下。通過在與導(dǎo)電材料相結(jié)合的設(shè)備中 3D 打印微生物，工程師應(yīng)該獲得一種具有大大擴(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)生更高效的電合成系統(tǒng)。

生物膜越來越受到工業(yè)界的關(guān)注，它們被用于修復(fù)碳?xì)浠�合物、回收關(guān)鍵金屬、去除船上的藤壺以及作為各種天然和人造化學(xué)品的生物傳感器。以 LLNL 的合成生物學(xué)能力為基礎(chǔ)，LLNL 研究人員在最新論文中探索了生物打印幾何對(duì)微生物功能的影響，其中新月柄桿菌經(jīng)過基因改造可以應(yīng)用于提取稀土金屬并檢測(cè)鈾礦床。

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 3D 網(wǎng)格中的細(xì)胞可以比傳統(tǒng)的大塊水凝膠更快地吸收金屬離子。該團(tuán)隊(duì)還打印了活鈾傳感器，觀察到與對(duì)照打印相比，工程細(xì)菌的熒光增加。

合著者和 LLNL 微生物學(xué)家Yongqin Jiao 說：“這些具有增強(qiáng)微生物功能和傳質(zhì)特性的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。新型生物打印平臺(tái)不僅通過優(yōu)化的幾何形狀提高了系統(tǒng)性能和可擴(kuò)展性，而且保持了細(xì)胞活力并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期存儲(chǔ)�！�

LLNL 研究人員正在繼續(xù)致力于開發(fā)更復(fù)雜的 3D 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以及創(chuàng)造出具有更好打印和生物性能的新型生物樹脂。他們正在評(píng)估導(dǎo)電材料，如碳納米管和水凝膠，以傳輸電子和飼料生物打印的電養(yǎng)細(xì)菌，以提高微生物電合成應(yīng)用的生產(chǎn)效率。該團(tuán)隊(duì)還在確定如何最好地優(yōu)化生物打印電極的幾何形狀，以最大限度地通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)品的質(zhì)量傳輸。

LLNL 生物工程師和合著者莫妮卡莫亞說：“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)是朝著這個(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)雜的功能具有廣泛的應(yīng)用，包括生物制造、修復(fù)、生物傳感/檢測(cè)，甚至工程生物材料的開發(fā)——這些材料具有自主模式，可以自我修復(fù)或感知/響應(yīng)到他們的環(huán)境�！�

圖2. 樹脂的特性。3 kDaFITC-葡聚糖在LOW-MW和BLEND-MW樹脂中的擴(kuò)散性（A）。紫外線流變學(xué)顯示了暴露在405nm光線下的機(jī)械性能（B）。60分鐘后在LB培養(yǎng)基中固化的樹脂的特性。孵化后打印結(jié)構(gòu)的共焦Z型堆棧的側(cè)視圖（C），以及初始打印高度（D）和孵化后平均高度變化的特征（E）。

圖3. 可行生物量隨時(shí)間的積累。GFP的強(qiáng)度隨時(shí)間變化（A）和打印生物膜中的微生物在0和72小時(shí)的圖像（B）。

圖4. 展示了SLAM打印的生物膜的工程復(fù)雜性。自上而下（A）和側(cè)視圖（B），表達(dá)GFP（綠色）的封裝大腸桿菌的網(wǎng)格幾何的共焦z-堆棧圖像，顯示了打印復(fù)雜性的增加，旋轉(zhuǎn)視圖（C），以及自上而下的視圖與側(cè)視圖插入（D），表達(dá)GFP（綠色）或mCherry（紅色）的封裝大腸桿菌的雙物種打印的共焦z堆棧。

圖5. SLAM生物打印的生物膜可用于功能性應(yīng)用，包括微生物吸附和感應(yīng)。為了吸收稀土元素，工程化的新月菌被封裝在兩種不同的幾何形狀中，用于吸收釹。載有細(xì)胞的SLAM打印立方體（左）和網(wǎng)格（右）幾何形狀的宏觀圖像（A）。充滿細(xì)胞的構(gòu)建體中的釹濃度顯示，與封裝在立方體中的細(xì)胞相比，網(wǎng)格幾何中的細(xì)胞的吸收率增加（B）。每個(gè)樣品被重復(fù)使用3次以創(chuàng)建樣品副本。在微生物傳感方面，為鈾傳感而設(shè)計(jì)的新月菌被封裝在BLEND-MW樹脂中，并暴露在三種濃度的鈾溶液中。由此產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度顯示，與無鈾暴露對(duì)照相比，2.5和10μM的鈾的熒光增加（C）。一個(gè)LLNL的標(biāo)志打印品，上面有未接觸鈾（D）或接觸10mM鈾（E）的封裝的新月菌。**表示P值<0.01。

參考文獻(xiàn)：《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.

論文DOI：10.1021/acs.nanolett.0c04100

合著者包括 LLNL 科學(xué)家和工程師Karen Dubbin、Ziye Dong、Dan Park、Javier Alvarado、Jimmy Su、Elisa Wasson、Claire Robertson 和 Julie Jackson，以及來自圣路易斯華盛頓大學(xué)的 Arpita Bose。