Nova metoda 3D ispisa živih mikroba za efikasniji biosensing i biomining

Koristeći novu tehniku koja koristi svjetlost i bakterijama ispunjenu smolu za izradu mikroba iz 3D pisača, istraživači Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore (LLNL) otisnuli su umjetne biofilmove nalik tankim slojevima mikrobnih zajednica koje obitavaju u stvarnom svijetu.

Ekstrakcija rijetkih metala

Suspendirali su bakterije u fotoosjetljivim bio smolama i “zarobili” mikrobe u 3D strukturama pomoću LED svjetla iz Stereolitografskog aparata za mikrobiološki ispis (SLAM). Riječ je o 3D pisaču razvijenom u LLNL-ovom laboratoriju koji može ispisivati u visokoj razlučivosti reda veličine 18 mikrona, što je blizu promjera ljudske stanice.

Mikrobi su kritični pokretači svih ekosustava i mnogih biogeokemijskih procesa, no malo se zna o tome kako 3D organizacija ovih dinamičkih organizama pridonosi njihovoj ukupnoj funkciji
Mikrobi su kritični pokretači svih ekosustava i mnogih biogeokemijskih procesa, no malo se zna o tome kako 3D organizacija ovih dinamičkih organizama pridonosi njihovoj ukupnoj funkciji

U članku, objavljenom u časopisu Nano Letters, istraživači su objasnili kako se tehnologija može učinkovito koristiti za oblikovanje strukturno definiranih mikrobnih zajednica. Pokazali su primjenjivost takvih 3D tiskanih biofilmova za otkrivanje urana (biosensing) i ekstrakciju rijetkih metala iz ruda (biomining).


Sposobnost biotiska mikroba u 3D pisaču omogućit će istraživačima LLNL-a da izuče kako bakterije funkcioniraju u njihovom prirodnom staništu te istraže tehnologije poput mikrobiološke elektrosinteze, u kojoj elektrotrofi, bakterije koje jedu elektrone, višak električne energije pretvaraju u biogoriva i biokemikalije.


Demonstracija inženjerske složenosti u biofilmovima ispisanim na SLAM-u
Demonstracija inženjerske složenosti u biofilmovima ispisanim na SLAM-u

Visoko vodljivi biomaterijali

Trenutno je elektrosinteza mikroba ograničena jer je povezivanje elektroda (obično žica ili 2D površina) i bakterija neučinkovito. 3D tiskanjem mikroba u kombinaciji s vodljivim materijalima trebao bi se dobiti visoko vodljivi biomaterijal sa znatno proširenim i poboljšanim sučeljem elektroda-mikrob, što pak rezultira mnogo učinkovitijim sustavima za elektrosintezu.


Za biofilmove se sve više zanima industrija koja ih koristi za sanaciju ugljikovodika, oporabu kritičnih metala, uklanjanje naslaga školjki s brodova, ali i kao biosenzore za razne prirodne i umjetno proizvedene kemikalije. 


Stereolitografski aparat za mikrobiološki ispis (SLAM) može ispisivati u visokoj razlučivosti reda veličine 18 mikrona
Stereolitografski aparat za mikrobiološki ispis (SLAM) može ispisivati u visokoj razlučivosti reda veličine 18 mikrona

Nakon što su u LLNL-ovom laboratoriju genetski modificirali bakteriju Caulobacter crescentus za ekstrakciju rijetkih metala i otkrivanje naslaga urana, istraživači su dokazali kako 3D ispisane stanice mogu apsorbirati metalne ione mnogo brže nego u konvencionalnim masovnim hidrogelovima. Štoviše, osim što poboljšava performanse sustava i skalabilnost, nova platforma za biotisak ujedno održava vitalnost stanica i omogućuje njihovo dugotrajno skladištenje.

Mogućnosti provodljivih materijala

Istraživači LLNL-a sad razvijaju složenije 3D rešetke i stvaraju nove bio smola s boljim ispisom i biološkim performansama. Ispituju i mogućnosti provodljivih materijala, poput ugljikovih nanocjevčica i hidrogelova, za transport elektrona i elektrotrofnih bakterija ispisanih u 3D pisaču. 

Monica Moya, bioinženjerka iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore
Monica Moya, bioinženjerka iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore

“Tek smo počeli shvaćati kako struktura upravlja ponašanjem mikroba, a ova je tehnologija korak u tom smjeru”, kaže bioinženjerka Monica Moya. “Manipuliranje mikroorganizmima i njihovim fiziokemijskim okruženjem ima niz primjena, od bio proizvodnje, preko bioosjetljivosti, do razvoj projektiranih živih materijala-materijala koji imaju autonomni uzorak i koji se mogu sami popraviti ili osjetiti svoje okruženje.”