作者杰瑞米·托马斯，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员将细菌悬浮在光敏生物树脂中，并使用LLNL开发的微生物生物打印3D打印机立体平版印刷设备中的LE D光将微生物“捕获”在3D结构中
投影立体平版印刷机可以以18微米的高分辨率印刷，几乎和人体细胞的直径一样薄
托马斯·理思/LLNL插图
劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家开发了一种新的方法，可以以受控的模式三维打印活微生物，扩大了使用工程菌回收稀土金属、清洁废水、检测铀等的潜力
通过一种利用光和注入细菌的树脂产生三维图案微生物的新技术，研究小组成功印刷了类似于现实世界中普遍存在的微生物群落薄层的人工生物膜
研究小组将细菌悬浮在光敏生物反应器中，并使用LLNL开发的微生物生物打印立体光刻设备(SLAM)三维打印机的发光二极管光将微生物“捕获”在三维结构中
投影立体平版印刷机可以以18微米的高分辨率印刷，几乎和人体细胞的直径一样薄
这篇论文发表在网络杂志《纳米快报》上，研究人员证明该技术可以有效地用于设计结构明确的微生物群落
他们展示了这种三维打印生物膜在铀生物传感和稀土生物传感应用中的适用性，并展示了几何形状如何影响打印材料的性能
“我们正试图推动三维微生物培养技术的边缘，”首席研究员和LLNL生物工程学家威廉“里克”海因斯说
“我们认为这是一个研究非常不够的领域，它的重要性还没有被很好地理解
我们正在努力开发研究人员可以用来更好地研究微生物在几何形状复杂但高度受控的条件下的行为的工具和技术
通过更好地控制微生物种群的三维结构来访问和增强应用方法，我们将能够直接影响它们如何相互作用，并提高生物制造生产过程中的系统性能
" 海因斯解释说，虽然看似简单，但微生物的行为实际上极其复杂，并受其环境的时空特征驱动，包括微生物群落成员的几何组织
海因斯说，微生物的组织方式可以影响一系列行为，比如它们如何生长、何时生长、吃什么、如何合作、如何抵御竞争对手以及它们产生什么分子
海因斯解释说，以前在实验室生产生物膜的方法让科学家很难控制膜内的微生物组织，限制了他们充分理解自然界细菌群落中复杂相互作用的能力
三维生物打印微生物的能力将使LLNL科学家能够更好地观察细菌在其自然栖息地的功能，并研究微生物电合成等技术，在这些技术中，“吃电子”的细菌(电生物)在非高峰时间将多余的电转化为生物燃料和生物化学物质
海因斯补充说，目前，微生物电合成是有限的，因为电极(通常是电线或二维表面)和细菌之间的界面是低效的
通过在与导电材料相结合的设备中三维打印微生物，工程师们应该可以获得一种高导电性的生物材料，该材料具有大大扩展和增强的电极-微生物界面，从而产生更高效的电合成系统
生物膜越来越受到工业界的关注，它们被用来修复碳氢化合物、回收关键金属、去除船上的藤壶以及作为各种天然和人造化学物质的生物传感器
在LLNL的合成生物学能力的基础上，LLNL的研究人员在最新的论文中探索了生物打印几何形状对微生物功能的影响。在LLNL中，克雷森杆菌被基因改造以提取稀土金属并检测铀矿床
在一组实验中，研究人员比较了不同生物打印图案中稀土金属的回收情况，发现打印在三维网格中的细胞吸收金属离子的速度比传统散装水凝胶快得多
该团队还打印了活铀传感器，观察到与对照打印相比，工程菌的荧光增加
“这些具有增强的微生物功能和质量传递特性的有效生物材料的开发对于许多生物医学应用具有重要的意义，”合著者和LLNL微生物学家焦说
“新颖的生物打印平台不仅通过优化的几何结构提高了系统性能和可扩展性，而且保持了细胞的生存能力，并支持长期存储
" LLNL的研究人员继续致力于开发更复杂的三维晶格，并创造具有更好打印和生物性能的新生物蛋白
他们正在评估导电材料，如碳纳米管和水凝胶，以传输电子和供给生物印刷的电养细菌，从而提高微生物电合成应用的生产效率
该团队还在确定如何优化生物打印电极的几何形状，以最大限度地提高营养物质和产品在系统中的传质
“我们才刚刚开始理解结构是如何控制微生物行为的，这项技术是朝着这个方向迈出的一步，”LLNL生物工程学家和合著者莫妮卡·莫亚说
“操纵微生物及其物理化学环境以实现更复杂的功能有着广泛的应用，包括生物制造、修复、生物传感/检测，甚至工程生物材料的开发——这些材料可以自动形成图案，并能自我修复或感知/响应其环境
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