Ученые впервые разработали микробные чернила, полностью состоящие из бактерий, которые можно использовать для печати трехмерных материалов с уникальными свойствами, характерными для живых организмов. Например, технология может быть использована для связывания токсичных химических веществ, загрязняющих окружающую среду, или производства противораковых препаратов. 

Рис.1 Принципиальная схема технологии разработки, производства и функционального применения микробных чернил. Credit: Nature Communications.

 

Биоинки - это материалы, используемые для создания живых тканей с помощью технологии 3D-печати. Обычно они состоят из живых клеток, заключенных в трехмерный молекулярный каркас, как правило, из биополимерного геля.

В отличие от обычного 3D-принтера, который печатает неживой объект по спецификациям цифровой модели, биоинки производят живые ткани, которые постоянно изменяются. По мере роста и размножения клеток они усваивают вещества, поступающие извне (например, пищу), перерабатывают их, а затем производят новые соединения.

Это совершенно иной процесс, не похожий на то, о чем мы с вами обычно думаем, когда слышим о 3-D печати, но у биоинков определенно есть свое предназначение. Например, эта технология может быть использована для печати тканей организма и в конечном итоге целых органов.

Изготовленный на заказ 3D-принтер, на котором работали ученые. A. Duraj-Thatte, A. Manjula-Basvanna et. al./Nature

 

Исследователи из Политехнического института государственного университета Вирджинии, Гарвардского университета и Северо-Западного университета продемонстрировали инновационную  технологию биочернил. Впервые в мире они изготовили печатные чернила непосредственно из микроорганизмов, без каких-либо других добавок или полимеров.

"Микробные чернила - это новый класс биочернил, которые производятся полностью из модифицированных микроорганизмов и представляют собой новую платформу для создания экологичных биочернил. Использование сконструированных микроорганизмов в микробные чернила позволяет изготавливать функциональные живые материалы и 3D живую архитектуру с заданными формами и схемами для различных биотехнологических и биомедицинских применений. Микробные чернила могут быть полезны для лучшего понимания микробиомов и применения в тканевой инженерии. С другой стороны, микробные чернила могут быть использованы для создания структурных живых материалов как на Земле, так и во внеземных средах обитания. Следует отметить, что в последнем случае трудно транспортировать все сырье с Земли", - рассказал Авинаш Манджула-Басаванна из Института биологической инженерии Wyss при Гарвардском университете.

При печати на дискретной форме, такой как прямоугольник или круг, чернила оставались жесткими, не расслаивались и не растекались. Credit. Duraj-Thatte et al., Nature Communications

 

Лаборатория Манджулы-Басаванны специализируется в новой и экзотической области науки, известной как “Спроектированные живые материалы” (Engineered Living Materials ELMs), что  подразумевает разработку материалов, состоящих из живых организмов. Эти материалы могут быть очень полезными в зависимости от области применения и типа клеток, используемых в качестве биоинка. ELM могут обладать способностью к самовосстановлению, саморегуляции, саморегенерации и высокой чувствительностью к окружающей среде. Поскольку они имеют биологическую природу, такие материалы также очень экологичны и пригодны для вторичной переработки.

"Подобно зёрнышку, которое хранит внутри себя всю необходимую информацию, позволяющую ему получать ресурсы из окружающей среды и вырастать в огромное дерево, конечная цель ELM - программирование живых клеток для создания макроскопических материалов с функциями живых организмов", - говорит Манджула-Басаванна.

"К настоящему времени исследователи в области ELM смогли разработать программы для создания самых разнообразных материалов из живых клеток. Но создать трехмерный материал определенной формы, размера и рисунка из запрограммированных клеток методом "bottom-up" довольно сложно, и поэтому мы предложили использовать подход " top-down", основанный на 3D-печати. Для 3D-печати необходим биоинк, который может обеспечить благоприятную среду для живых клеток, а также позволит создать желаемую 3D-архитектуру. Поэтому мы решили запрограммировать внеклеточную матрицу биопленки кишечной палочки ( Escherichia coli) для создания микробных чернил".

Программируемые микробные чернила для 3D-печати живых материалов

Из генетически модифицированной кишечной палочки исследователи выделили нановолокна, которые можно сконцентрировать и напечатать в желаемых трехмерных структурах. Затем чернила соединили с другими культурами, модифицированных микробов кишечной палочки, превращая  материал в экструдируемый гидрогель, который можно “выдавливать” из сопла 3D-принтера.

Эта оказалось довольно трудной задачей.  До сих пор никому не удавалось создать биогель исключительно из микробов, поскольку он должен обладать нужной степенью плотности, вязкости, текучести и структурной целостности.

Чтобы достичь этого, мы внедрили генетически запрограммированную технологию перекрестного связывания, взяв за основу фибрин - белок, отвечающий за образование тромбов посредством взаимодействия альфа- и гамма-модулей (см. Рис 1). С помощью детального анализа микробных чернил мы показали, что наша стратегия не только эффективна и успешна, но и проста, поскольку биочернила можно получать непосредственно из микробной культуры с помощью простого протокола фильтрации, - говорит Манджула-Басаванна, - Это один из первых примеров управления свойствами материала биологического происхождения с помощью рациональной генной инженерии. Мы планируем и дальше развивать эти направления, чтобы их биологические свойства могли конкурировать (и в конечном итоге заменить) существующие материалы, которые наносят вред окружающей среде". - добавил Нил С. Джоши, доцент кафедры химии и химической биологии Северо-Восточного университета и автор-корреспондент нового исследования.

Самые разнообразные биологические материалы производятся многоклеточными организмами. В некоторых случаях, как при производстве целлюлозы, используются существующие в природе микробы, а например при производстве искусственного паучьего шелка, микробы были сконструированы. И они могут быть использованы для производства биоматериалов как на Земле так и за ее пределами  

 

В ходе одного из экспериментов на основе микробного гидрогеля был создан материал, выделяющий противораковый препарат азурин в присутствии определенного химического вещества. Помимо этого, ученые создали другой материал, поглощающий токсичный химикат BPA массово применяемый в промышленном производстве пластмасс и резины.

"Мы считаем, что эта технология может иметь большое значение для изменения существующей на сегодняшний день линейной схемы производства материалов (то есть добыча - использование - утилизация) на более цикличную и устойчивую (например, биопроизводство - использование - биопереработка)", - сказал Джоши.

У новой технологии разработки живых материалов многообещающее будущее, однако впереди еще долгий путь. Гарвардская команда утверждает, что новые биоматериалы могут быть использованы в онкологии или даже для снабжения будущих колоний на Марсе. 

Источник: https://www.nature.com/

Недавно мы сообщали о подобном событии, когда ученые из университетов Вермонта, Тафтса и Гарварда помощью искусственного интеллекта создали новые формы жизни, способных производить "потомство". Меняя форму биороботов, исследователи планируют использовать их уничтожения раковых клеток или создания тканей для пересадки органов.