Исследование Университета штата Северная Каролина показало, как "биопечать" растительных клеток с помощью 3D-принтера может стать репродуктивным методом изучения клеточной коммуникации между различными растительными клетками.

Клетки растений печатаются с помощью обычного 3D-принтера, в конструкцию которого внесено несколько важных изменений. Lisa Van den Broeck/North Carolina State University

Результаты исследования, опубликованные недавно в журнале Science Advances, показывают, что для понимания того, как клетки растений взаимодействуют друг с другом и окружающей средой, следует разобраться в том, как они функционируют. Полученные знания позволят учёным повысить качество выращиваемых культур и создать идеальные условия для их выращивания.

В своем проекте ученые попытались ответить на несколько важных вопросов. Выживут ли растительные клетки после биопечати? Как долго они проживут ? Как изменятся и какие свойства приобретут? Для того чтобы это выяснить, исследователи выполнили печать клеток модельного растения Arabidopsis thaliana и соевых бобов.

"Корни растений имеют множество различных типов клеток с особыми функциями", - рассказывает Лиза Ван ден Брук, постдокторант NC State, руководитель проекта. " Кроме того, существуют различные наборы экспрессируемых генов; некоторые из них специфичны для каждой клетки. Поэтому мы хотели узнать, что происходит после биопечати живых клеток и помещения их в созданную нами среду: Живы ли они и делают ли они то, что должны делать?".

Исследователь готовит 3D-биопринтер к 3D-печати клеток на электроде. Ladanifer/iStock 

Механика биопечати напоминает печать красками или пластиком

3D-биопечать растительными клетками по своей механике похожа на печать чернилами или полимерами за небольшим исключением.  "Вместо 3D-печати чернилами или пластиком используются "биочернила", или живые растительные клетки. Механика обоих процессов примерно одинакова, за небольшим отличием. В случае с растительными клетками для поддержания стерильности среды используется ультрафиолетовый фильтр, а также несколько печатающих головок (вместо одной) для одновременной печати различными биочернилами", - рассказывает Лиза Ван ден Брук, руководитель проекта.

Биопечать протопластов (живых растительных клеток без клеточных оболочек) осуществлялась с помощью питательных веществ, гормонов роста и агарозы - загустителя, получаемого из морских водорослей. Агароза придает клеткам стабильность и формирует "строительные каркасы", подобно тому, как строительный раствор придает прочность кирпичам в стене здания.

"Мы обнаружили, что очень важно использовать правильные каркасы", - сказал Росс Соццани, профессор биологии растений и микроорганизмов в NC State и соавтор статьи. "Во время печати биочернила должны быть жидкими, но на выходе они должен застывать. Имитация естественной среды помогает поддерживать клеточные процессы и механизмы так, как они протекают в природе".

Клетки были жизнеспособны и могли делиться

Согласно исследованию, более половины 3D-биопечатных клеток оказались живыми и со временем разделились на небольшие клеточные колонии, так называемые микрокалли. "Мы ожидали хорошей жизнеспособности клеток в течение нескольких часов после печати, но нам никогда не приходилось поддерживать клетки дольше, поэтому мы не представляли, что произойдет через несколько дней.", - сказала Ван ден Брук. 

"Аналогичные показатели жизнеспособности наблюдаются после пипетирования клеток, так что процесс 3D-печати, похоже, не наносит клеткам никакого вреда.  Но пипетирование — это сложный процесс, выполняемый вручную, а 3D-биопечать контролирует давление капель и скорость, с которой они печатаются", - сказал Соццани. " Биопринтинг позволяет повысить производительность и лучше контролировать архитектуру клеток после нанесения биоматериала в виде слоев или ячеистых структур".

Сила арабидопсиса

Кроме того, исследователи выполнили биопечать отдельных клеток, чтобы проверить, смогут ли они делиться, расти и регенерировать. Результаты показали, что для оптимального развития клетки корней и побегов арабидопсиса нуждаются в различных питательных веществах и "строительных каркасах". 

Также исследователи изучили клеточный состав биопринтированных колоний. Выяснилось, что эмбриональные клетки сои и клетки корня арабидопсиса характеризуются высокой скоростью пролиферации и отсутствием стабильной идентичности. Другими словами, такие клетки могут превращаться в различные типы клеток, подобно стволовым клеткам животных или человека.

Источники:  Science Advances, North Carolina State University, Eurekalert
1. (https://www.eurekalert.org/news-releases/967268)
2. (https://news.ncsu.edu/2022/10/3d-printing-plant-cells-shows-promise-for-studying-cell-function/)
3. (https://interestingengineering.com/science/3d-printing-plant-cells-helps-to-study-cell-function-researchers-suggest)