Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har utvecklat en ny metod för 3-D-utskrift av levande mikrober i kontrollerade mönster, utöka potentialen för att använda konstruerade bakterier för att återvinna sällsynta jordartsmetaller, rent avloppsvatten, upptäcka uran med mera.

Genom en ny teknik som använder ljus och bakterieinfunderat harts för att producera 3-D-mönstrade mikrober, forskargruppen har framgångsrikt tryckt konstgjorda biofilmer som liknar de tunna lagren av mikrobiella samhällen som är vanliga i den verkliga världen. Forskargruppen suspenderade bakterierna i ljuskänsliga biohartser och "fångade" mikroberna i 3-D-strukturer med hjälp av LED-ljus från den LLNL-utvecklade Stereolithographic Apparatus for Microbial Bioprinting (SLAM) 3-D-skrivare. Projektionsstereolitografimaskinen kan skriva ut med hög upplösning i storleksordningen 18 mikron - nästan lika tunn som diametern på en mänsklig cell.

I tidningen, som visas online i tidskriften Nanobokstäver , Forskare visade att tekniken kan användas effektivt för att designa strukturellt definierade mikrobiella samhällen. De visade tillämpbarheten av sådana 3-D-tryckta biofilmer för uranbiosensing och biomining av sällsynta jordartsmetaller och visade hur geometrin påverkar prestandan hos de tryckta materialen.

"Vi försöker driva på kanten av 3-D mikrobiell odlingsteknik, ", sade huvudutredaren och LLNL-bioingenjören William "Rick" Hynes. "Vi tycker att det är ett mycket underutrett utrymme och dess betydelse är inte väl förstått ännu. Vi arbetar med att utveckla verktyg och tekniker som forskare kan använda för att bättre undersöka hur mikrober beter sig i geometriskt komplexa, ändå mycket kontrollerade förhållanden. Genom att få tillgång till och förbättra tillämpade metoder med större kontroll över 3D-strukturen hos de mikrobiella populationerna, vi kommer att direkt kunna påverka hur de interagerar med varandra och förbättra systemets prestanda inom en biotillverkningsprocess."

Även om det verkar enkelt, Hynes förklarade att mikrobiella beteenden faktiskt är extremt komplexa, och drivs av spatiotemporala egenskaper hos sin miljö, inklusive den geometriska organisationen av mikrobiella gemenskapsmedlemmar. Hur mikrober är organiserade kan påverka en rad olika beteenden, som hur och när de växer, vad de äter, hur de samarbetar, hur de försvarar sig från konkurrenter och vilka molekyler de producerar, sa Hynes.

Tidigare metoder för att producera biofilmer i laboratoriet har gett forskarna liten kontroll över mikrobiell organisation i filmen, begränsar förmågan att fullt ut förstå de komplexa interaktioner som ses i bakteriesamhällen i den naturliga världen, Hynes förklarade. Möjligheten att bioprinta mikrober i 3D kommer att göra det möjligt för LLNL-forskare att bättre observera hur bakterier fungerar i deras naturliga livsmiljö, och undersöka teknologier som mikrobiell elektrosyntes, där "elektronätande" bakterier (elektrotrofer) omvandlar överskottsel av el under lågtrafik till att producera biobränslen och biokemikalier.

För närvarande, mikrobiell elektrosyntes är begränsad eftersom gränssnittet mellan elektroder (vanligtvis ledningar eller 2-D-ytor) och bakterier är ineffektivt, Hynes lade till. Genom 3D-utskrift av mikrober i enheter kombinerade med ledande material, ingenjörer bör uppnå ett mycket ledande biomaterial med ett kraftigt utökat och förbättrat elektrod-mikrob-gränssnitt, vilket resulterar i mycket effektivare elektrosyntessystem.

Biofilmer är av allt större intresse för industrin, där de används för att sanera kolväten, återvinna kritiska metaller, ta bort havstulpaner från fartyg och som biosensorer för en mängd olika naturliga och konstgjorda kemikalier. Bygger på syntetisk biologi kapacitet vid LLNL, där bakterien Caulobacter crescentus modifierades genetiskt för att utvinna sällsynta jordartsmetaller och upptäcka uranavlagringar, LLNL forskare undersökte effekten av bioprinting geometri på mikrobiell funktion i den senaste artikeln.

I en uppsättning experiment, forskare jämförde återvinningen av sällsynta jordartsmetaller i olika bioprintade mönster och visade att celler tryckta i ett 3D-nät kan absorbera metalljonerna mycket snabbare än i konventionella bulkhydrogeler. Teamet skrev också ut sensorer för levande uran, observerar ökad florescens i de konstruerade bakterierna jämfört med kontrollutskrifter.

"Utvecklingen av dessa effektiva biomaterial med förbättrade mikrobiella funktioner och masstransportegenskaper har viktiga konsekvenser för många biotillämpningar, ", sa medförfattare och LLNL mikrobiolog Yongqin Jiao. "Den nya bioprinting-plattformen förbättrar inte bara systemets prestanda och skalbarhet med optimerad geometri, men bibehåller cellviabiliteten och möjliggör långtidslagring."

LLNL-forskare fortsätter att arbeta med att utveckla mer komplexa 3D-gitter och skapa nya biohartser med bättre utskrift och biologisk prestanda. De utvärderar ledande material som kolnanorör och hydrogeler för att transportera elektroner och matningsbiotryckta elektrotrofa bakterier för att förbättra produktionseffektiviteten i mikrobiell elektrosyntesapplikationer. Teamet bestämmer också hur man bäst optimerar bioprintad elektrodgeometri för att maximera masstransport av näringsämnen och produkter genom systemet.

"Vi har bara börjat förstå hur struktur styr mikrobiellt beteende och den här tekniken är ett steg i den riktningen, " sa LLNL bioingenjör och medförfattare Monica Moya. "Manipulation av både mikroberna och deras fysiokemiska miljö för att möjliggöra mer sofistikerad funktion har en rad tillämpningar som inkluderar biotillverkning, sanering, biosensing/detektering och till och med utveckling av konstruerade levande material - material som är autonomt mönstrade och kan reparera sig själv eller känna av/reagera på sin miljö."