3D打印大腸桿菌生物膜,，可抵抗實驗室消毒劑,，或?qū)⒂糜趶U水處理

來源: DeepTech深科技

細菌生物膜是細菌在細胞外基質(zhì)（由蛋白質(zhì),、多糖,、脂質(zhì)和細胞外 DNA 組成）中的三維組合,，它們牢固地附著在生物或者非生物表面,。生物膜廣泛存在于自然,、醫(yī)療和工業(yè)環(huán)境中，它是一把雙刃劍,。

工業(yè)上,，它促進可持續(xù)過程，例如生物修復,、材料合成或毒素降解,；但在醫(yī)學上，它可能會成為假肢,、導管,、縫合線、假牙和其他植入物的感染源,。

（來源：維基百科）

由于大多數(shù)人類感染是由形成生物膜的細菌引起的,，闡明生物膜抗性行為的原因可以促進更好地設(shè)計新的抗生物膜策略。然而,，挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)生物膜成分的自上而下的空間模式,，以探究它們對生物特性的影響。

3D 打印可用于應對這一挑戰(zhàn)。通過高度控制 3D 打印提供的形狀,、設(shè)計和分辨率的自由度可以模擬天然生物膜的空間異質(zhì)性和機械強度,。3D 打印的生物膜模型可能比實驗室中常規(guī)研究的生物膜（在液體培養(yǎng)基或瓊脂中生長）更好地模擬天然生物膜的 3D 組織，可用于研究生物膜對抗菌劑的緊急生物耐受性等特性,。

近日,，由荷蘭 Delft University of Technology 生物納米系的 Marie-Eve Aubin-Tam 博士和美國 University of Rochester 生物系的 Anne S. Meyer 博士共同領(lǐng)導的研究團隊從大腸桿菌中培養(yǎng)出生物膜樣本，并且使用 3D 打印技術(shù)操縱此類生物膜結(jié)構(gòu)和機械性能,。

大腸桿菌是一種革蘭氏陰性兼性厭氧菌,，可以在有氧或無氧的情況下產(chǎn)生能量。作為一種廣泛研究的模式生物,，它可以在 20 分鐘內(nèi)培養(yǎng),，已用于重組 DNA 研究。大腸桿菌生物膜的細胞外基質(zhì)由卷曲纖維（一種蛋白質(zhì)成分）或纖維素（一種多糖成分）或兩者的組合組成,，這種納米復合基質(zhì)賦予大腸桿菌細胞生物和機械耐久性,。

用 3D 打印調(diào)整大腸桿菌生物膜的基質(zhì)組成和設(shè)計原則是分析生物膜組成和結(jié)構(gòu)對其緊急耐受性影響的有效方法。

該團隊采用了定制的 3D 打印機用于將形成生物膜的大腸桿菌任意圖案化到瓊脂基質(zhì)上,。不同菌株的大腸桿菌在其生物膜基質(zhì)中表達纖維素 +/ 卷曲纖維 +,、纖維素–/ 卷曲纖維 +、纖維素–/ 卷曲纖維–,，生物膜被 3D 打印為四層結(jié)構(gòu),，并測試它們對消毒劑的緊急生物耐受性。

經(jīng)證明細菌生物膜可以有效被 3D 打印成不同的形狀,，并且 3D 打印的生物膜顯示出對常用實驗室消毒劑（如乙醇和 Virkon S）的耐受,，細胞外基質(zhì)成分特別是卷曲纖維的存在，在 3D 打印的大腸桿菌生物膜中對消毒劑的生物耐受性的發(fā)展中起著重要作用,。

圖 | 3D 打印生物膜暴露于不同濃度的 (A) 乙醇或 (B) Virkon S 10 分鐘后的緊急消毒劑耐受性（來源：研究論文）

該研究團隊還通過生物墨水和 3D 打印工藝的設(shè)計調(diào)整生物膜基質(zhì)組成,，例如改變細菌密度、卷曲密度和纖維素密度,，這對這些消毒劑耐藥性的發(fā)展產(chǎn)生重大影響,。經(jīng)過實驗得出以下結(jié)論：底部細胞密度較高的生物膜設(shè)計比底部細胞密度較低的設(shè)計更能抵抗乙醇,；調(diào)整每層中表達卷曲纖維的細菌的比例來調(diào)整卷曲纖維密度對乙醇的抗性沒有影響,；生物膜基質(zhì)中的纖維素本身不能賦予 3D 打印生物膜對乙醇的緊急耐受性。

圖 | 調(diào)整 (A) 細菌密度,、(B) 卷曲密度和 (C) 纖維素密度對乙醇耐力的影響（來源：研究論文）

此外,，該團隊的 3D 打印生物膜保留了原先的形狀，并顯示出對物理變形的非凡抵抗力,。這意味著這些 “印刷品” 可以可逆地附著在細菌纖維素,、玻璃和聚苯乙烯等表面上。

這些 3D 打印的生物膜有可能應用于醫(yī)療器械、廢水處理,、環(huán)境修復等方面的益生菌生物膜涂層,。這為結(jié)合生物和材料科學的下一代智能材料鋪平了道路。

參考文獻：

https://www.azom.com/news.aspx?newsID=57194

https://doi.org/10.1021/acssynbio.1c00290