Wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het 3D-printen van levende microben in gecontroleerde patronen, uitbreiding van het potentieel voor het gebruik van gemanipuleerde bacteriën om zeldzame aardmetalen terug te winnen, schoon afvalwater, uranium en meer detecteren.

Door een nieuwe techniek die licht en met bacteriën doordrenkte hars gebruikt om microben met een 3D-patroon te produceren, het onderzoeksteam heeft met succes kunstmatige biofilms geprint die lijken op de dunne lagen van microbiële gemeenschappen die in de echte wereld voorkomen. Het onderzoeksteam heeft de bacteriën in lichtgevoelige bioharsen gesuspendeerd en de microben "opgesloten" in 3D-structuren met behulp van LED-licht van de door LLNL ontwikkelde Stereolithographic Apparatus for Microbial Bioprinting (SLAM) 3D-printer. De projectie-stereolithografiemachine kan afdrukken met een hoge resolutie in de orde van 18 micron - bijna zo dun als de diameter van een menselijke cel.

In de krant, die online in het tijdschrift verschijnt Nano-letters , onderzoekers bewezen dat de technologie effectief kan worden gebruikt om structureel gedefinieerde microbiële gemeenschappen te ontwerpen. Ze demonstreerden de toepasbaarheid van dergelijke 3D-geprinte biofilms voor uranium-biosensing en zeldzame-aarde-biomining-toepassingen en toonden aan hoe geometrie de prestaties van de gedrukte materialen beïnvloedt.

"We proberen de grens van 3D microbiële kweektechnologie te verleggen, "Zei hoofdonderzoeker en LLNL-bio-ingenieur William "Rick" Hynes. "We denken dat het een zeer weinig onderzochte ruimte is en het belang ervan wordt nog niet goed begrepen. We werken aan de ontwikkeling van tools en technieken die onderzoekers kunnen gebruiken om beter te onderzoeken hoe microben zich gedragen in geometrisch complexe, maar zeer gecontroleerde omstandigheden. Door toegang te krijgen tot toegepaste benaderingen en deze te verbeteren met meer controle over de 3D-structuur van de microbiële populaties, we zullen in staat zijn om rechtstreeks invloed uit te oefenen op hoe ze met elkaar omgaan en de systeemprestaties binnen een bioproductieproces te verbeteren."

Hoewel ogenschijnlijk eenvoudig, Hynes legde uit dat microbieel gedrag eigenlijk extreem complex is, en worden gedreven door tijdruimtelijke kenmerken van hun omgeving, inclusief de geometrische organisatie van leden van de microbiële gemeenschap. Hoe microben zijn georganiseerd, kan een reeks gedragingen beïnvloeden, zoals hoe en wanneer ze groeien, wat zij eten, hoe ze samenwerken, hoe ze zich verdedigen tegen concurrenten en welke moleculen ze produceren, zei Hynes.

Eerdere methoden voor het produceren van biofilms in het laboratorium hebben wetenschappers weinig controle gegeven over de microbiële organisatie in de film, het beperken van het vermogen om de complexe interacties die worden gezien in bacteriële gemeenschappen in de natuurlijke wereld volledig te begrijpen, Hynes legde het uit. Het vermogen om microben in 3D te bioprinten, stelt LLNL-wetenschappers in staat om beter te observeren hoe bacteriën functioneren in hun natuurlijke habitat, en onderzoeken technologieën zoals microbiële elektrosynthese, waarin "elektronenetende" bacteriën (elektrotrofen) overtollige elektriciteit tijdens de daluren omzetten in biobrandstoffen en biochemicaliën.

Momenteel, microbiële elektrosynthese is beperkt omdat interfacing tussen elektroden (meestal draden of 2D-oppervlakken) en bacteriën inefficiënt is, voegde Hynes toe. Door 3D-printen van microben in apparaten in combinatie met geleidende materialen, ingenieurs moeten een sterk geleidend biomateriaal bereiken met een sterk uitgebreide en verbeterde elektrode-microbe-interface, wat resulteert in veel efficiëntere elektrosynthesesystemen.

Biofilms worden steeds interessanter voor de industrie, waar ze worden gebruikt om koolwaterstoffen te saneren, kritische metalen terugwinnen, verwijderen zeepokken van schepen en als biosensoren voor een verscheidenheid aan natuurlijke en door de mens gemaakte chemicaliën. Voortbouwend op synthetische biologie capaciteiten bij LLNL, waar de bacterie Caulobacter crescentus genetisch werd gemodificeerd om zeldzame aardmetalen te extraheren en uraniumafzettingen op te sporen, LLNL-onderzoekers onderzochten het effect van bioprinting-geometrie op de microbiële functie in het nieuwste artikel.

In een reeks experimenten, onderzoekers vergeleken het herstel van zeldzame aardmetalen in verschillende bioprinted patronen en toonden aan dat cellen die in een 3D-raster zijn geprint de metaalionen veel sneller kunnen absorberen dan in conventionele bulkhydrogels. Het team heeft ook levende uraniumsensoren geprint, het observeren van verhoogde bloei in de gemanipuleerde bacteriën in vergelijking met controleprints.

"De ontwikkeling van deze effectieve biomaterialen met verbeterde microbiële functies en massatransporteigenschappen heeft belangrijke implicaties voor veel bio-toepassingen, " zei co-auteur en LLNL-microbioloog Yongqin Jiao. "Het nieuwe platform voor bioprinten verbetert niet alleen de systeemprestaties en schaalbaarheid met geoptimaliseerde geometrie, maar handhaaft de levensvatbaarheid van de cellen en maakt langdurige opslag mogelijk."

LLNL-onderzoekers blijven werken aan de ontwikkeling van complexere 3D-roosters en het creëren van nieuwe bioharsen met betere print- en biologische prestaties. Ze evalueren geleidende materialen zoals koolstofnanobuisjes en hydrogels om elektronen te transporteren en bio-geprinte elektrotrofe bacteriën om de productie-efficiëntie in microbiële elektrosynthesetoepassingen te verbeteren. Het team bepaalt ook hoe de geometrie van de bioprinted elektrode het best kan worden geoptimaliseerd voor het maximaliseren van het massatransport van voedingsstoffen en producten door het systeem.

"We beginnen nog maar net te begrijpen hoe structuur microbieel gedrag regelt en deze technologie is een stap in die richting, "Zei LLNL bio-ingenieur en co-auteur Monica Moya. "Het manipuleren van zowel de microben als hun fysiochemische omgeving om een ​​meer geavanceerde functie mogelijk te maken, heeft een reeks toepassingen, waaronder bioproductie, sanering, biosensing / detectie en zelfs ontwikkeling van geconstrueerde levende materialen - materialen die autonoom een ​​patroon hebben en zichzelf kunnen repareren of kunnen voelen / reageren op hun omgeving."