微生物生物墨水制造3D打印材料

科学家们利用基因工程技术3D打印出一种含有活细胞的凝胶,这种细胞可以释放药物或清洁污染物
2021年11月26日
通过Iacopo Russo

细菌

艺术家对细菌的印象

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一组研究人员通过基因工程改造细菌,生产出一种生物墨水,这种生物墨水可以3D打印成具有特殊能力的凝胶,比如释放药物、清除空气中的毒素和调节自身生长。

本周发表在《自然通讯》(Nature Communications)上的这项研究的主要作者尼尔·乔希(Neel Joshi)说:“这是复制生物有机体如何制造材料的总体努力的一部分,通过工程细胞来做我们想让它们做的事情。”

像一棵树或我们自己的身体这样的生物系统可以对环境做出反应,比如移动、生长或自我再生,但今天工程师们制造的材料,比如钢或纸,做不到这一点。为了制造工程学上的活材料,科学家们正试图对生物细胞进行基因编程,使其自发地产生能够对环境做出反应的物质。

“在这种情况下,起点是细菌大肠杆菌通常存在于我们的肠道和土壤中,”乔希解释说。他在东北大学的团队通过基因编程大肠杆菌细胞可以制造蛋白质,这些蛋白质会结合在一起形成纤维,而纤维又会缠绕在一起形成一种粘稠的物质,可以用作墨水。蛋白质是许多生物组织的基石,比如我们的肌肉,并赋予墨水结构。

挑战在于设计墨水,使其可以3D打印。为了做到这一点,研究人员模拟了牙膏的特性,牙膏在休息时足够坚固,可以承受自身的重量,但当你挤压它时,它会像液体一样流动。同样,3D打印机对墨水施加压力,使其通过喷嘴,但一旦墨水休息,它就会形成一种果冻状的物质,可以承受自身的重量。

这是一种嵌入活细胞的特殊凝胶。研究人员证明,这些细胞可以分泌具有抗癌特性的药物Azurin,或者它们可以从周围空气中去除污染物双酚A (BPA)。更重要的是,这些细胞也可以自杀,这表明我们可以控制和限制它们的传播。所有这些功能在实验开始时都被编入大肠杆菌的基因中。

研究人员第一次成功地设计了这种细菌,使其能够在不添加任何合成聚合物的情况下产生制造这种结构所需的所有蛋白质。这意味着微生物可以独立制造嵌入活细胞的生物链接。

乔希说:“这可能会在外星任务中得到应用。”“将材料运送到火星、月球或国际空间站等地是不可能的,或者成本过高,所以我们需要找到一种在当地生产材料的方法。”宇航员可以随身携带一些微生物,用它们来3D打印建造建筑物或其他基本产品所需的材料和结构。

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