Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han desarrollado un nuevo método para imprimir en 3D microbios vivos en patrones controlados, expandiendo el potencial para el uso de bacterias diseñadas para recuperar metales de tierras raras, aguas residuales limpias, detectar uranio y más.

A través de una técnica novedosa que utiliza resina infundida con luz y bacterias para producir microbios con patrones tridimensionales, El equipo de investigación imprimió con éxito biopelículas artificiales que se asemejan a las delgadas capas de comunidades microbianas que prevalecen en el mundo real. El equipo de investigación suspendió las bacterias en biorresinas fotosensibles y "atrapó" los microbios en estructuras 3-D utilizando luz LED del Aparato estereolitográfico para bioimpresión microbiana desarrollado por LLNL (SLAM) impresora 3D. La máquina de estereolitografía de proyección puede imprimir a alta resolución del orden de 18 micrones, casi tan delgada como el diámetro de una célula humana.

En el papel, que aparece en línea en la revista Nano letras , Los investigadores demostraron que la tecnología se puede utilizar de forma eficaz para diseñar comunidades microbianas definidas estructuralmente. Demostraron la aplicabilidad de tales biopelículas impresas en 3D para aplicaciones de biodetección de uranio y biominería de tierras raras y mostraron cómo la geometría influye en el rendimiento de los materiales impresos.

"Estamos tratando de impulsar la tecnología de cultivo microbiano 3-D, ", dijo el investigador principal y bioingeniero de LLNL William" Rick "Hynes." Creemos que es un espacio muy poco investigado y su importancia aún no se comprende bien. Estamos trabajando para desarrollar herramientas y técnicas que los investigadores puedan utilizar para investigar mejor cómo se comportan los microbios en formas geométricamente complejas, condiciones aún altamente controladas. Al acceder y mejorar los enfoques aplicados con un mayor control sobre la estructura tridimensional de las poblaciones microbianas, podremos influir directamente en cómo interactúan entre sí y mejorar el rendimiento del sistema dentro de un proceso de producción de biofabricación ".

Aunque aparentemente simple, Hynes explicó que los comportamientos microbianos son en realidad extremadamente complejos, y están impulsados ​​por las características espacio-temporales de su entorno, incluida la organización geométrica de los miembros de la comunidad microbiana. La forma en que se organizan los microbios puede afectar una variedad de comportamientos, como cómo y cuándo crecen, qué comen ellos, cómo cooperan, cómo se defienden de los competidores y qué moléculas producen, Dijo Hynes.

Los métodos anteriores para producir biopelículas en el laboratorio han proporcionado a los científicos poco control sobre la organización microbiana dentro de la película. limitar la capacidad de comprender completamente las complejas interacciones observadas en las comunidades bacterianas en el mundo natural, Hynes explicó. La capacidad de bioimprimir microbios en 3-D permitirá a los científicos de LLNL observar mejor cómo funcionan las bacterias en su hábitat natural. e investigar tecnologías como la electrosíntesis microbiana, en el que las bacterias "devoradoras de electrones" (electrótrofos) convierten el excedente de electricidad durante las horas de menor actividad para producir biocombustibles y bioquímicos.

En la actualidad, La electrosíntesis microbiana es limitada porque la interfaz entre los electrodos (generalmente cables o superficies 2-D) y las bacterias es ineficaz. Añadió Hynes. Mediante la impresión 3D de microbios en dispositivos combinados con materiales conductores, Los ingenieros deben lograr un biomaterial altamente conductor con una interfaz electrodo-microbio muy expandida y mejorada, resultando en sistemas de electrosíntesis mucho más eficientes.

Las biopelículas son de creciente interés para la industria, donde se utilizan para la remediación de hidrocarburos, recuperar metales críticos, eliminan percebes de los barcos y como biosensores para una variedad de productos químicos naturales y artificiales. Aprovechando las capacidades de biología sintética en LLNL, donde la bacteria Caulobacter crescentus fue modificada genéticamente para extraer metales de tierras raras y detectar depósitos de uranio, Los investigadores de LLNL exploraron el efecto de la geometría de bioimpresión en la función microbiana en el último artículo.

En un conjunto de experimentos, Los investigadores compararon la recuperación de metales de tierras raras en diferentes patrones bioimpresos y demostraron que las células impresas en una cuadrícula 3-D pueden absorber los iones metálicos mucho más rápidamente que en los hidrogeles a granel convencionales. El equipo también imprimió sensores de uranio vivo, observando un aumento de la fluorescencia en las bacterias manipuladas en comparación con las impresiones de control.

"El desarrollo de estos biomateriales eficaces con funciones microbianas mejoradas y propiedades de transporte masivo tiene implicaciones importantes para muchas aplicaciones biológicas, ", dijo el coautor y microbiólogo de LLNL, Yongqin Jiao." La nueva plataforma de bioimpresión no solo mejora el rendimiento y la escalabilidad del sistema con una geometría optimizada, pero mantiene la viabilidad celular y permite el almacenamiento a largo plazo ".

Los investigadores de LLNL continúan trabajando en el desarrollo de redes tridimensionales más complejas y en la creación de nuevas biorresinas con mejor rendimiento biológico y de impresión. Están evaluando materiales conductores como nanotubos de carbono e hidrogeles para transportar electrones y bacterias electrótrofas bioimpresas de alimentación para mejorar la eficiencia de producción en aplicaciones de electrosíntesis microbiana. El equipo también está determinando cómo optimizar mejor la geometría del electrodo bioimpreso para maximizar el transporte masivo de nutrientes y productos a través del sistema.

"Apenas estamos comenzando a comprender cómo la estructura gobierna el comportamiento microbiano y esta tecnología es un paso en esa dirección, ", dijo la bioingeniera y coautora de LLNL Monica Moya." La manipulación tanto de los microbios como de su entorno fisicoquímico para permitir una función más sofisticada tiene una gama de aplicaciones que incluyen la biofabricación, remediación, biodetección / detección e incluso desarrollo de materiales vivos diseñados, materiales que tienen un patrón autónomo y pueden autorepararse o sentir / responder a su entorno ".