微生物3D打印技術：強化生物材料邁出第一步_風聞

勞倫斯•利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家們開發了一種新方法，可以在受控模式下進行3D打印微生物，擴大了利用工程菌回收稀土金屬、清潔廢水、檢測鈾元素等的潛力。

實驗室研究人員將細菌懸浮在光敏生物樹脂中，並使用立體光刻設備的LED光源將微生物“捕獲”在3D結構中。

美國勞倫斯•利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究團隊開發了一種新方法，可以在受控模式下3D打印微生物。這使得工程菌在回收稀土金屬、清潔廢水、檢測鈾元素等方面的應用潛力大幅提升。相關論文在《納米簡訊》上發表。

LLNL的研究人員在這篇論文中探討了生物打印幾何結構對微生物功能的影響，他們將新月形莖桿菌（Caulobacter crescentus）進行基因改造，使其能夠提取稀土金屬並檢測鈾礦牀。

通過新技術，研究人員成功打印出了類似自然界中微生物羣落薄層的人工生物膜。他們將細菌懸浮在光敏生物素中，利用微生物立體光刻（SLAM）3D打印機的LED光源將微生物“捕獲”在3D結構中。該生物打印機能以18微米左右的高分辨率打印，幾乎相當於人體細胞的直徑。

在一組實驗中，他們比較了不同生物打印膜中稀土金屬的回收率，結果顯示，打印在3D網格中的細胞比傳統的大塊水凝膠的金屬離子吸收速度快得多。研究小組還打印了微生物鈾傳感器，與對照組相比，3D打印菌的熒光效應顯著增強。

首席研究員兼LLNL生物工程師Hynes説：“加強對微生物種羣3D結構的控制，我們將能直接改變它們之間的相互作用，並在生物製造生產過程中提高系統性能。”這聽起來似乎很簡單，但實際上，微生物行為不僅及其複雜，還由其所處環境的時空特徵驅動（如：微生物羣落的幾何結構）。其排列組合方式影響的行為包括：如何生長、何時生長、以何為食、如何合作、如何抵禦競爭對手以及產生什麼分子等等。

以傳統方法生產生物膜時，科學家對膜內微生物組織幾乎沒有控制能力，這阻礙了他們對微生物相互作用的深入瞭解。而微生物3D打印技術不僅有助於加深理解，還能幫助他們探索微生物電合成（即“食電”細菌在非高峯時間將多餘電能轉化為生物燃料和生化物質）等技術。Hynes補充道，由於電極和細菌之間的連接效率很低，當前微生物電合成技術相對受限。將微生物3D打印與導電材料結合，工程師們便可獲得高導電性生物材料，其電極-微生物連接效率大幅上升，將產生更高效的電合成系統。

論文合著者微生物學家Yongqin Jiao表示：“這種新穎的生物打印平台不僅通過優化的空間結構提高了微生物膜系統性能和可擴展性，而且保持了細胞活力並實現了長期存儲。”

LLNL生物工程師兼合著者Monica Moya補充道：“我們才剛剛開始瞭解空間結構是如何控制微生物行為的，這項技術就是向前邁出的一步。我們希望能更好地操控微生物及其理化環境，以實現更復雜的微生物功能。這項技術的應用範圍很廣，包括生物製造、修復、生物傳感/檢測，我們甚至能用它開發可以自我修復或感知/響應環境的工程材料。”

編譯：小貝

審稿：西莫

責編：陳之涵

期刊來源：《納米簡訊》 

期刊編號：1530-6984

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https://https://phys.org/news/2021-02-lab-d-microbes-biomaterials.html

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