Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno sviluppato un nuovo metodo per la stampa 3D di microbi viventi in schemi controllati, espandere il potenziale per l'utilizzo di batteri ingegnerizzati per recuperare i metalli delle terre rare, acque reflue pulite, rilevare l'uranio e altro ancora.

Attraverso una nuova tecnica che utilizza la luce e la resina infusa di batteri per produrre microbi con motivi 3D, il team di ricerca ha stampato con successo biofilm artificiali che assomigliano ai sottili strati delle comunità microbiche prevalenti nel mondo reale. Il team di ricerca ha sospeso i batteri in bioresine fotosensibili e ha "intrappolato" i microbi in strutture 3D utilizzando la luce LED della stampante 3D Stereolithographic Apparatus for Microbial Bioprinting (SLAM) sviluppata da LLNL. La macchina per la stereolitografia a proiezione può stampare ad alta risoluzione dell'ordine di 18 micron, quasi sottile come il diametro di una cellula umana.

Nella carta, che appare online sulla rivista Nano lettere , i ricercatori hanno dimostrato che la tecnologia può essere utilizzata efficacemente per progettare comunità microbiche strutturalmente definite. Hanno dimostrato l'applicabilità di tali biofilm stampati in 3D per il biorilevamento dell'uranio e le applicazioni di bioestrazione di terre rare e hanno mostrato come la geometria influenzi le prestazioni dei materiali stampati.

"Stiamo cercando di spingere il limite della tecnologia di coltura microbica 3-D, " ha detto il ricercatore principale e bioingegnere LLNL William "Rick" Hynes. "Pensiamo che sia uno spazio molto poco studiato e la sua importanza non è ancora ben compresa. Stiamo lavorando per sviluppare strumenti e tecniche che i ricercatori possano utilizzare per studiare meglio come si comportano i microbi in ambienti geometricamente complessi, ancora condizioni altamente controllate. Accedendo e migliorando gli approcci applicati con un maggiore controllo sulla struttura 3-D delle popolazioni microbiche, saremo in grado di influenzare direttamente il modo in cui interagiscono tra loro e migliorare le prestazioni del sistema all'interno di un processo di produzione di bioproduzione."

Sebbene apparentemente semplice, Hynes ha spiegato che i comportamenti microbici sono in realtà estremamente complessi, e sono guidati dalle caratteristiche spazio-temporali del loro ambiente, compresa l'organizzazione geometrica dei membri della comunità microbica. Il modo in cui i microbi sono organizzati può influenzare una serie di comportamenti, come come e quando crescono, cosa mangiano, come collaborano, come si difendono dai concorrenti e quali molecole producono, ha detto Hynes.

I metodi precedenti per la produzione di biofilm in laboratorio hanno fornito agli scienziati uno scarso controllo sull'organizzazione microbica all'interno del film, limitare la capacità di comprendere appieno le complesse interazioni osservate nelle comunità batteriche nel mondo naturale, Hynes ha spiegato. La capacità di biostampare i microbi in 3-D consentirà agli scienziati LLNL di osservare meglio come funzionano i batteri nel loro habitat naturale, e investigare tecnologie come l'elettrosintesi microbica, in cui i batteri "mangiatori di elettroni" (elettrotrofi) convertono l'elettricità in eccesso durante le ore non di punta per produrre biocarburanti e sostanze biochimiche.

Attualmente, l'elettrosintesi microbica è limitata perché l'interfaccia tra gli elettrodi (solitamente fili o superfici 2-D) e i batteri è inefficiente, Hynes ha aggiunto. Mediante la stampa 3D di microbi in dispositivi combinati con materiali conduttivi, gli ingegneri dovrebbero ottenere un biomateriale altamente conduttivo con un'interfaccia elettrodo-microbo notevolmente ampliata e migliorata, con conseguente sistemi di elettrosintesi molto più efficienti.

I biofilm sono di crescente interesse per l'industria, dove vengono utilizzati per bonificare gli idrocarburi, recuperare metalli critici, rimuovere i cirripedi dalle navi e come biosensori per una varietà di sostanze chimiche naturali e artificiali. Basandosi sulle capacità di biologia sintetica presso LLNL, dove il batterio Caulobacter crescentus è stato geneticamente modificato per estrarre i metalli delle terre rare e rilevare i depositi di uranio, I ricercatori LLNL hanno esplorato l'effetto della geometria del bioprinting sulla funzione microbica nell'ultimo documento.

In una serie di esperimenti, i ricercatori hanno confrontato il recupero dei metalli delle terre rare in diversi modelli biostampati e hanno dimostrato che le cellule stampate in una griglia 3D possono assorbire gli ioni metallici molto più rapidamente rispetto agli idrogel convenzionali. Il team ha anche stampato sensori di uranio vivente, osservando una maggiore fluorescenza nei batteri ingegnerizzati rispetto alle stampe di controllo.

"Lo sviluppo di questi biomateriali efficaci con funzioni microbiche potenziate e proprietà di trasporto di massa ha importanti implicazioni per molte applicazioni biologiche, " ha affermato il co-autore e microbiologo LLNL Yongqin Jiao. "La nuova piattaforma di bioprinting non solo migliora le prestazioni e la scalabilità del sistema con una geometria ottimizzata, ma mantiene la vitalità cellulare e consente la conservazione a lungo termine".

I ricercatori LLNL stanno continuando a lavorare allo sviluppo di reticoli 3D più complessi e alla creazione di nuove bioresine con una migliore stampa e prestazioni biologiche. Stanno valutando materiali conduttivi come nanotubi di carbonio e idrogel per trasportare elettroni e batteri elettrotrofi biostampati per alimentare per migliorare l'efficienza di produzione nelle applicazioni di elettrosintesi microbica. Il team sta anche determinando come ottimizzare al meglio la geometria dell'elettrodo biostampato per massimizzare il trasporto di massa di nutrienti e prodotti attraverso il sistema.

"Stiamo appena iniziando a capire come la struttura governa il comportamento microbico e questa tecnologia è un passo in quella direzione, " ha affermato Monica Moya, bioingegnere e co-autrice di LLNL. "La manipolazione sia dei microbi che del loro ambiente fisico-chimico per consentire funzioni più sofisticate ha una gamma di applicazioni che includono la bioproduzione, bonifica, biorilevamento/rilevamento e persino sviluppo di materiali viventi ingegnerizzati, materiali che sono modellati autonomamente e possono autoripararsi o percepire/rispondere al loro ambiente".