Lab 3D print microben om biomaterialen te verbeteren

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

Door middel van een nieuwe techniek die licht en met bacteriën doordrenkte hars gebruikt om microben met 3D-patronen te produceren, heeft het onderzoeksteam 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 bioresins gesuspendeerd en de microben “gevangen” in 3D-structuren met behulp van LED-licht van de door LLNL ontwikkelde Stereolithographic Apparatus for Microbial Bioprinting (SLAM) 3D-printer. De stereolithografiemachine voor projectie kan met hoge resolutie afdrukken in de orde van grootte van 18 micron – bijna zo dun als de diameter van een menselijke cel.

In de krant, die online in het tijdschrift verschijnt Nano Letters, hebben onderzoekers bewezen dat de technologie effectief kan worden gebruikt om structureel gedefinieerde microbiële gemeenschappen te ontwerpen. Ze toonden de toepasbaarheid aan van dergelijke 3D-geprinte biofilms voor uranium biosensing en zeldzame aardmetalen biominingstoepassingen en lieten zien 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 erg onder-onderzochte ruimte is en het belang ervan is 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 sterk gecontroleerde omstandigheden. Door toegepaste benaderingen te verbeteren met meer controle over de 3D-structuur van de microbiële populaties, zullen we in staat zijn om rechtstreeks invloed uit te oefenen op hoe ze met elkaar omgaan en de systeemprestaties binnen een biofabricageproductieproces te verbeteren. “

Hoewel het ogenschijnlijk eenvoudig leek, legde Hynes uit dat microbieel gedrag eigenlijk buitengewoon complex is en wordt aangedreven door spatiotemporele kenmerken van hun omgeving, inclusief de geometrische organisatie van microbiële gemeenschapsleden. Hoe microben zijn georganiseerd, kan van invloed zijn op een reeks gedragingen, zoals hoe en wanneer ze groeien, wat ze eten, hoe ze samenwerken, hoe ze zichzelf 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 binnen de film, waardoor het vermogen om de complexe interacties die in bacteriële gemeenschappen in de natuurlijke wereld worden waargenomen, volledig te begrijpen, legde Hynes uit. Het vermogen om microben in 3D te bioprinten, stelt LLNL-wetenschappers in staat om beter te observeren hoe bacteriën in hun natuurlijke habitat functioneren, en om technologieën te onderzoeken zoals microbiële elektrosynthese, waarbij ‘elektronenetende’ bacteriën (elektrotrofen) overtollige elektriciteit omzetten tijdens daluren uren om biobrandstoffen en biochemicaliën te produceren.

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

Biofilms zijn van toenemend belang voor de industrie, waar ze worden gebruikt om koolwaterstoffen te saneren, kritische metalen terug te winnen, zeepokken van schepen te verwijderen en als biosensoren voor een verscheidenheid aan natuurlijke en door de mens gemaakte chemicaliën. Voortbouwend op de mogelijkheden van synthetische biologie bij LLNL, waar de bacterie Caulobacter crescentus genetisch werd gemodificeerd om zeldzame aardmetalen te extraheren en uraniumafzettingen te detecteren, onderzochten LLNL-onderzoekers het effect van bioprintinggeometrie op de microbiële functie in het nieuwste artikel.

In één reeks experimenten vergeleken onderzoekers het herstel van zeldzame aardmetalen in verschillende bioprintpatronen 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 sensoren voor levend uranium geprint, waarbij een verhoogde bloei in de ontwikkelde bacteriën werd waargenomen in vergelijking met controleafdrukken.

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

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

“We beginnen nog maar net te begrijpen hoe structuur het microbiële gedrag regelt en deze technologie is een stap in die richting”, aldus 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 biofabricage, sanering, biosensoren / detectie en zelfs de ontwikkeling van geconstrueerde levende materialen – materialen met een autonoom patroon en die zichzelf kunnen repareren of voelen / reageren aan hun omgeving. ”