微生物墨水能3D打印可編程“活材料”

來源：科技日報

據(jù)英國《自然·通訊》雜志2021年11月23日發(fā)表的一項概念驗證研究，美國研究團隊報告了一種用基因改造大腸桿菌制成的高級微生物墨水，可以用來打印具有功能性和可編程屬性的3D材料。該研究同時演示了這項技術的潛在應用，比如隔離在環(huán)境中出現(xiàn)的有毒化學物質(zhì)雙酚A。

直接利用微生物制備無須添加其他聚合物或添加劑的打印墨水，為傳統(tǒng)物質(zhì)不可用情況下的材料制造開辟出全新的可能性。與此同時，這種技術還能用于開發(fā)可感知周圍環(huán)境并做出反應的材料。工程師們認為，只要擁有3D打印這種材料的能力，就有望實現(xiàn)材料的定制化并可針對特定用途進行改造。

由活細胞構(gòu)成的微生物墨水，其實一直是實現(xiàn)這一目標的候選介質(zhì)，但它們需要將目標材料特性與細胞活性相結(jié)合，這是一個技術難點。

此次，包括美國東北大學、弗吉尼亞理工學院暨州立大學、哈佛大學Wyss生物啟發(fā)工程研究所在內(nèi)的聯(lián)合團隊，報告了用大腸桿菌制成的一種高級微生物墨水，這種大腸桿菌經(jīng)過基因工程改造，能產(chǎn)生納米纖維。這些納米纖維可以進行濃縮并打印出3D結(jié)構(gòu)。

a 大腸桿菌通過基因工程將α（旋鈕）和γ（孔）蛋白結(jié)構(gòu)域（來自纖維蛋白）與Curli納米纖維的主要結(jié)構(gòu)成分CsgA相融合，從而生產(chǎn)微生物墨水。在分泌時，CsgA-α和CsgA-γ單體通過旋鈕-孔的結(jié)合作用自組裝成納米纖維。 b 旋鈕和孔結(jié)構(gòu)域來自纖維蛋白，它們在血凝塊形成過程中的超分子聚合中發(fā)揮了關鍵作用。微生物墨水被3D打印出來以獲得功能性活體材料。

研究人員隨后將這種墨水與其他經(jīng)過基因工程改造、用來執(zhí)行特定任務的微生物相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)這種水凝膠可以由此獲得功能性。研究團隊利用這種水凝膠制備了一種能在遇到化學刺激物時分泌抗癌藥天青蛋白的材料，還設計出了一種能隔離在環(huán)境中出現(xiàn)的有毒化學物質(zhì)雙酚A的材料。雙酚A一度在塑料瓶、塑料杯中廣泛應用，但后期研究認為其能導致內(nèi)分泌失調(diào)，威脅人體健康，從2011年3月2日起，歐盟已禁止生產(chǎn)含雙酚A的嬰兒奶瓶。因此，隔離環(huán)境中已存在的雙酚A將是一項實用的安全性技術。

研究人員認為，他們的新研究或?qū)�空間結(jié)構(gòu)構(gòu)建具有啟示意義，但仍需開展進一步研究探索其未來的定制化用途。


論文原文：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26791-x