研究人員揭示利用植物細胞進行生物3D打印的突破性方法

南極熊導讀：目前在從植物細胞開發(fā)活體材料方面，主要受到植物細胞結(jié)構(gòu)相對簡單的限制。這種簡單性可能會限制所制造的材料的功能和復雜性，因此需要更多的研究來克服這一限制，以開發(fā)出更具功能性和多樣性的活體材料。

△研究人員開發(fā)了一種含有植物細胞和細菌的生物墨水

2024年5月28日，南極熊獲悉，一組研究人員在美國化學學會發(fā)表了一篇論文，揭示了一種新的生物3D打印方法，即使用含有轉(zhuǎn)基因植物細胞的墨水來生產(chǎn)活體材料。

△該研究介紹了一種工程植物活體材料 (EPLM) 領域的創(chuàng)新方法，利用合成生物學和工程學之間的復雜相互作用。題目為“通過煙草BY-2細胞在定制顆粒水凝膠支架中的生長和轉(zhuǎn)染，推進工程植物活體材料的發(fā)展”（傳送門）

工程植物活體材料的研發(fā)技術背景

3D打印已被證明是一種多功能技術，其應用范圍從制造業(yè)到醫(yī)學等各個領域。它能夠定制產(chǎn)品，并利用各種材料創(chuàng)建復雜、獨特的結(jié)構(gòu)，因此已成為許多領域不可或缺的工具。世界各地的研究人員利用這些優(yōu)勢開發(fā)出了生物打印等創(chuàng)新方法，這些方法正在改變各自的領域。

在科學家Ziyi Yu和Zhengao Di的帶領下，該團隊開發(fā)了工程植物活體材料，其中包含具有可定制行為和功能的改良植物細胞。這一進步是通過3D打印技術的推動實現(xiàn)的

具體來說，這種墨水由煙草植物細胞、明膠和水凝膠微粒組成，其中含有農(nóng)桿菌，一種能促進將DNA片段轉(zhuǎn)移到植物基因組的細菌。這種生物墨水被用來3D打印各種形狀，如網(wǎng)格、雪花、葉子和螺旋形，以供分析。

△植物活體材料生物3D打印示意圖

打印工作是通過采用擠壓技術的三軸生物3D打印機完成的，然后用藍光固化這些形狀，以加強其結(jié)構(gòu)。48小時后，工程活體材料中的細菌將DNA轉(zhuǎn)移到了生長中的煙草細胞中。例如，在打印出葉片形狀的產(chǎn)品后，經(jīng)過24小時，可以看到改良后的植物細胞產(chǎn)生的顏色。研究人員還觀察到，植物細胞在幾周內(nèi)繼續(xù)在活體材料中生長和復制，并根據(jù)轉(zhuǎn)移的DNA的指示產(chǎn)生蛋白質(zhì)。

△BY-2生物墨水的打印特性和隨后的細胞生長表征

從可持續(xù)建筑到先進的生物制造

這項研究證實了這一理論：轉(zhuǎn)移的DNA使煙草植物細胞能夠產(chǎn)生綠色熒光蛋白和植物色素，這些物質(zhì)可作為天然染料和膳食補充劑。通過3D打印這種工程化活體材料，研究人員展示了他們的技術創(chuàng)造復雜結(jié)構(gòu)、控制打印件的測量和生長以及管理其功能的能力。

該團隊表示，將生物體的特性與非生物物質(zhì)（水凝膠）的穩(wěn)定性和耐久性結(jié)合在一起，揭示了制造藥物蛋白質(zhì)和將這種工程活體材料應用于可持續(xù)建筑的巨大潛力。

這種結(jié)合了生物學和工程學技術的新方法推動了材料科學的發(fā)展。研究人員在結(jié)論中指出：“通過利用煙草BY-2細胞與生物相容性HMPs的結(jié)合，這項研究展示了生物3D打印技術在創(chuàng)建生物相容性、結(jié)構(gòu)多樣性和功能動態(tài)EPLM方面的巨大潛力。這些進展標志著在開發(fā)自我維持、反應靈敏、可定制的活體材料方面邁出了重要一步，其應用范圍廣泛，從可持續(xù)建筑到先進的生物制造，為未來的技術和環(huán)境解決方案開辟了新的可能性�！�