Программируемые чернила из микроорганизмов для 3D-печати живых тканей, изготовлены из генетически модифицированных белковых нановолокон. Новая технология может быть использована для печати тканей организма человека и в конечном итоге целых органов.
рекомендации

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.

реклама

 

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/

   

рекомендации

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.

За пост начислено вознаграждение
Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.
3
Показать комментарии (3)

Популярные новости

Сейчас обсуждают