微生物墨水能3D打印可编程“活材料”

来源：科技日报

据英国《自然·通讯》杂志2021年11月23日发表的一项概念验证研究，美国研究团队报告了一种用基因改造大肠杆菌制成的高级微生物墨水，可以用来打印具有功能性和可编程属性的3D材料。该研究同时演示了这项技术的潜在应用，比如隔离在环境中出现的有毒化学物质双酚A。

直接利用微生物制备无须添加其他聚合物或添加剂的打印墨水，为传统物质不可用情况下的材料制造开辟出全新的可能性。与此同时，这种技术还能用于开发可感知周围环境并做出反应的材料。工程师们认为，只要拥有3D打印这种材料的能力，就有望实现材料的定制化并可针对特定用途进行改造。

由活细胞构成的微生物墨水，其实一直是实现这一目标的候选介质，但它们需要将目标材料特性与细胞活性相结合，这是一个技术难点。

此次，包括美国东北大学、弗吉尼亚理工学院暨州立大学、哈佛大学Wyss生物启发工程研究所在内的联合团队，报告了用大肠杆菌制成的一种高级微生物墨水，这种大肠杆菌经过基因工程改造，能产生纳米纤维。这些纳米纤维可以进行浓缩并打印出3D结构。

a 大肠杆菌通过基因工程将α（旋钮）和γ（孔）蛋白结构域（来自纤维蛋白）与Curli纳米纤维的主要结构成分CsgA相融合，从而生产微生物墨水。在分泌时，CsgA-α和CsgA-γ单体通过旋钮-孔的结合作用自组装成纳米纤维。 b 旋钮和孔结构域来自纤维蛋白，它们在血凝块形成过程中的超分子聚合中发挥了关键作用。微生物墨水被3D打印出来以获得功能性活体材料。

研究人员随后将这种墨水与其他经过基因工程改造、用来执行特定任务的微生物相结合，发现这种水凝胶可以由此获得功能性。研究团队利用这种水凝胶制备了一种能在遇到化学刺激物时分泌抗癌药天青蛋白的材料，还设计出了一种能隔离在环境中出现的有毒化学物质双酚A的材料。双酚A一度在塑料瓶、塑料杯中广泛应用，但后期研究认为其能导致内分泌失调，威胁人体健康，从2011年3月2日起，欧盟已禁止生产含双酚A的婴儿奶瓶。因此，隔离环境中已存在的双酚A将是一项实用的安全性技术。

研究人员认为，他们的新研究或对空间结构构建具有启示意义，但仍需开展进一步研究探索其未来的定制化用途。


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