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勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學(xué)家們開發(fā)了一種以受控模式3D打印生物的新方法，從而擴大了利用工程細(xì)菌回收稀土金屬、清潔廢水、檢測鈾等的潛力。

通過使用光和細(xì)菌注入樹脂來產(chǎn)生3D模式微生物的新技術(shù)，研究團隊成功地印刷了類似于現(xiàn)實世界中微生物群落薄層的人造生物膜。該研究小組將細(xì)菌懸浮在光敏生物樹脂中，并使用LLNL開發(fā)的用于微生物生物打?。⊿LAM）的3D立體光刻設(shè)備的LED光將細(xì)菌“捕獲”在3D結(jié)構(gòu)中。投影立體光刻機可以以18微米量級的高分辨率進行打印-幾乎與人體細(xì)胞的直徑一樣薄。

在發(fā)表的在線論文中，研究人員證明了該技術(shù)可以有效地用于設(shè)計結(jié)構(gòu)明確的微生物群落。他們展示了這種3D打印生物膜在鈾生物傳感和稀土生物采礦應(yīng)用中的適用性，并展示了幾何形狀如何影響印刷材料的性能。

3D生物打印微生物

研究人員使用LLNL開發(fā)的用于微生物生物打印（SLAM）的3D立體光刻設(shè)備的LED光，將細(xì)菌懸浮在光敏生物樹脂中，并將微生物“捕獲”在3D結(jié)構(gòu)中。投影立體光刻機可以以18微米量級的高分辨率進行打印-幾乎與人體細(xì)胞的直徑一樣薄。

研究人員說：“我們正在努力推動3D微生物培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展。” “我們認(rèn)為這是一個研究不足的領(lǐng)域，其重要性尚未得到很好的理解。我們正在努力開發(fā)工具和技術(shù)，研究人員可以使用這些工具和技術(shù)更好地研究微生物在幾何復(fù)雜但高度受控的條件下的行為。通過訪問和增強對微生物種群的3D結(jié)構(gòu)進行更好控制的應(yīng)用方法，我們將能夠直接影響它們之間的相互作用方式，并改善生物制造生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)性能。”

盡管看似簡單，但研究人員解釋說，微生物行為實際上極其復(fù)雜，并且受其環(huán)境的時空特性（包括微生物群落成員的幾何組織）驅(qū)動。微生物的組織方式會影響一系列行為，例如它們?nèi)绾紊L，何時生長，飲食，如何合作，如何抵御競爭對手以及如何產(chǎn)生分子。

研究人員解釋說，以前實驗室中生產(chǎn)生物膜的方法使科學(xué)家?guī)缀鯚o法控制膜中的微生物組織，從而限制了人們充分了解自然界細(xì)菌群落中復(fù)雜相互作用的能力。在3D模式下對微生物進行生物打印的能力將使LLNL科學(xué)家能夠更好地觀察細(xì)菌在其自然棲息地中的功能，并研究諸如微生物電合成等技術(shù)，其中“吃電子的”細(xì)菌（電養(yǎng)菌）在非高峰時段將多余的電能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)生物燃料和生物化學(xué)物質(zhì)。

研究人員補充說，目前，由于電極（通常是導(dǎo)線或2D表面）與細(xì)菌之間的接口效率低下，微生物的電合成受到了限制。通過將設(shè)備中的3D打印微生物與導(dǎo)電材料結(jié)合起來，工程師應(yīng)該實現(xiàn)具有高度擴展和增強的電極-微生物界面的高導(dǎo)電生物材料，從而產(chǎn)生更加高效的電合成系統(tǒng)。

生物膜在工業(yè)上越來越受關(guān)注，在工業(yè)上，生物膜可用于修復(fù)碳?xì)浠衔?，回收關(guān)鍵金屬，清除船上的藤壺以及用作各種天然和人造化學(xué)物質(zhì)的生物傳感器。LLNL研究人員利用LLNL的合成生物學(xué)能力進行了基因改造，在其中對新月形細(xì)菌Caulobacter crescentus進行了基因修飾，以提取稀土金屬并檢測鈾沉積，該研究人員在最新論文中探索了生物印刷幾何形狀對微生物功能的影響。

在一組實驗中，研究人員比較了不同生物打印圖案中稀土金屬的回收率，結(jié)果表明，打印在3D網(wǎng)格中的細(xì)胞可以比傳統(tǒng)的塊狀水凝膠更快地吸收金屬離子。該小組還印制了活體鈾傳感器，與對照印刷品相比，觀察到了工程細(xì)菌的熒光增強。

“這些具有增強的微生物功能和傳質(zhì)特性的有效生物材料的開發(fā)對許多生物應(yīng)用具有重要意義，”研究人員說。“新穎的生物打印平臺不僅可以通過優(yōu)化的幾何形狀提高系統(tǒng)性能和可擴展性，而且還能保持細(xì)胞活力并能夠長期保存。”

LLNL研究人員正在繼續(xù)致力于開發(fā)更復(fù)雜的3D晶格并創(chuàng)建具有更好印刷和生物學(xué)性能的新型生物樹脂。他們正在評估諸如碳納米管和水凝膠之類的導(dǎo)電材料，以傳輸電子，并進料生物印染的電營養(yǎng)細(xì)菌，以提高微生物電合成應(yīng)用中的生產(chǎn)效率。該團隊還正在確定如何最佳地優(yōu)化生物打印電極的幾何形狀，以最大程度地通過系統(tǒng)傳輸營養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)品。

研究人員說：“我們才剛剛開始了解結(jié)構(gòu)是如何控制微生物行為的，這項技術(shù)是朝這個方向邁出的一步。” “同時利用微生物及其理化環(huán)境來實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，其應(yīng)用范圍很廣，包括生物制造，修復(fù)，生物傳感/檢測，甚至是工程生物材料的開發(fā)，這些材料是經(jīng)過自動圖案化并且可以自我修復(fù)或感知/響應(yīng)的材料。他們的環(huán)境。”