微生物墨水能3D打印可編程“活材料”

來源：科技日報

據(jù)英國《自然·通訊》雜志2021年11月23日發(fā)表的一項概念驗證研究，美國研究團(tuán)隊報告了一種用基因改造大腸桿菌制成的高級微生物墨水，可以用來打印具有功能性和可編程屬性的3D材料。該研究同時演示了這項技術(shù)的潛在應(yīng)用，比如隔離在環(huán)境中出現(xiàn)的有毒化學(xué)物質(zhì)雙酚A。

直接利用微生物制備無須添加其他聚合物或添加劑的打印墨水，為傳統(tǒng)物質(zhì)不可用情況下的材料制造開辟出全新的可能性。與此同時，這種技術(shù)還能用于開發(fā)可感知周圍環(huán)境并做出反應(yīng)的材料。工程師們認(rèn)為，只要擁有3D打印這種材料的能力，就有望實現(xiàn)材料的定制化并可針對特定用途進(jìn)行改造。

由活細(xì)胞構(gòu)成的微生物墨水，其實一直是實現(xiàn)這一目標(biāo)的候選介質(zhì)，但它們需要將目標(biāo)材料特性與細(xì)胞活性相結(jié)合，這是一個技術(shù)難點。

此次，包括美國東北大學(xué)、弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)、哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所在內(nèi)的聯(lián)合團(tuán)隊，報告了用大腸桿菌制成的一種高級微生物墨水，這種大腸桿菌經(jīng)過基因工程改造，能產(chǎn)生納米纖維。這些納米纖維可以進(jìn)行濃縮并打印出3D結(jié)構(gòu)。

a 大腸桿菌通過基因工程將α（旋鈕）和γ（孔）蛋白結(jié)構(gòu)域（來自纖維蛋白）與Curli納米纖維的主要結(jié)構(gòu)成分CsgA相融合，從而生產(chǎn)微生物墨水。在分泌時，CsgA-α和CsgA-γ單體通過旋鈕-孔的結(jié)合作用自組裝成納米纖維。 b 旋鈕和孔結(jié)構(gòu)域來自纖維蛋白，它們在血凝塊形成過程中的超分子聚合中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。微生物墨水被3D打印出來以獲得功能性活體材料。

研究人員隨后將這種墨水與其他經(jīng)過基因工程改造、用來執(zhí)行特定任務(wù)的微生物相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)這種水凝膠可以由此獲得功能性。研究團(tuán)隊利用這種水凝膠制備了一種能在遇到化學(xué)刺激物時分泌抗癌藥天青蛋白的材料，還設(shè)計出了一種能隔離在環(huán)境中出現(xiàn)的有毒化學(xué)物質(zhì)雙酚A的材料。雙酚A一度在塑料瓶、塑料杯中廣泛應(yīng)用，但后期研究認(rèn)為其能導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)，威脅人體健康，從2011年3月2日起，歐盟已禁止生產(chǎn)含雙酚A的嬰兒奶瓶。因此，隔離環(huán)境中已存在的雙酚A將是一項實用的安全性技術(shù)。

研究人員認(rèn)為，他們的新研究或?qū)臻g結(jié)構(gòu)構(gòu)建具有啟示意義，但仍需開展進(jìn)一步研究探索其未來的定制化用途。


論文原文：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26791-x