3D-natisnjena bivalna struktura. (Joshi et al., Nature Communications, 2021) Videli smo, kako lahko 3D-tiskanje revolucionira nekatere proizvodne procese – bodisi na Zemlji alikjerkoli drugje– vendar obstaja vse več raziskav, ki iščejo načine, kako bi to lahko uporabili tudi za ustvarjanje živih bioloških struktur.
V novi študiji so znanstveniki orisali novo vrsto 'živega črnila' ali biočrnila, izdelanega iz programiranega Escherichia coli bakterijske celice, ki jih je mogoče 3D-natisniti za ustvarjanje hidrogelov v različnih oblikah, ki sproščajo različne vrste zdravil ali absorbirajo toksine, odvisno od tega, kako so izdelani.
Ta pristop se od prejšnjih biočrnil razlikuje po tem, kako uporablja genetsko programiranje za nadzor mehanskih lastnosti samega črnila – kar vodi do boljših končnih rezultatov končnega materiala in bolj praktične uporabe črnila (nekatera obstoječa biočrnila ne delujejo pravilno pri sobna temperatura, na primer).
Primeri natisnjenega biočrnila. (Joshi et al., Nature Communications, 2021)
'V drevo so vgrajene celice in gre od semena do drevesa tako, da asimilira vire iz svoje okolice, da bi izvajalo te programe za gradnjo strukture,' pravi kemični biolog Neel Joshi z univerze Northeastern v Massachusettsu.
'Kar želimo storiti, je podobna stvar, vendar zagotavljamo te programe v obliki DNK, ki jo pišemo, in genskega inženiringa.'
Način delovanja je z bioinženiringom bakterijskih celic za ustvarjanje živih nanovlaken. The E. coli celice so združili z drugimi snovmi, da so ustvarili vlakna, z uporabo kemičnega procesa, ki ga je navdihnila fibrin – beljakovina, ki igra ključno vlogo pri nastajanju krvnih strdkov pri sesalcih.
Ta nanovlakna na osnovi beljakovin se lahko nato vnesejo v 3D-tiskalnik in z njimi oblikujejo različne oblike. Za razliko od prejšnjih biočrnil, to ne uporablja nobenih umetnih snovi, temveč je v celoti biološko. Iztisne se kot zobna pasta, vendar lahko obdrži svojo obliko, če je zaščitena pred izsušitvijo.
Do sedaj je bila tehnika uporabljena za izdelavo zelo majhnih predmetov: kroga, kvadrata in stožca. Toda zdaj, ko so znanstveniki dokazali, da je mikrobno črnilo mogoče 3D-tiskati na ta način, odpira več možnosti za prihodnost.
'Če bi vzeli ta cel stožec in ga potopili v neko raztopino glukoze, bi celice pojedle to glukozo in naredile bi več teh vlaknin ter zrasle stožec v nekaj večjega,' pravi Joshi .
„Obstaja možnost, da izkoristimo dejstvo, da so tam žive celice. Lahko pa tudi samo ubiješ celice in jih uporabiš kot inerten material.«
V poskusih je ekipi uspelo združiti svoje biočrnilo z drugimi mikrobi za opravljanje določenih nalog: absorbiranje strupenih kemikalij, na primer, ali zagotavljanje proti- rak zdravilo. Raziskovalci pravijo, da bi lahko v prihodnosti črnilo razvili tudi tako, da se samopodvaja.
Ta študija temelji na prejšnje delo z isto ekipo, pogledamo, kako E. coli celice bi lahko oblikovali v hidrogel, ki se samopodvoji, ko pride v stik z določenim tkivom – s čimer bi odprli novo in trajnostno metodo izdelave, ki bi jo lahko uporabili na luna in Mars kot tudi tukaj na Zemlji.
Čeprav je bilo biočrnilo, ki ga je mogoče natisniti v 3D, doslej uporabljano le v majhnem obsegu, bi ga kasneje lahko uporabili v vsem, od gradnje samozdravilnih struktur do izdelave pokrovčkov za steklenice, ki lahko odstranijo nevarne kemikalije iz vode.
'Biologija je sposobna narediti podobne stvari,' pravi Joshi . 'Pomislite na razliko med lasmi, ki so prožni, in rogovi jelena ali nosoroga ali česa podobnega. Narejeni so iz podobnih materialov, vendar imajo zelo različne funkcije. Biologija je ugotovila, kako prilagoditi te mehanske lastnosti z uporabo omejenega nabora gradnikov.'
Raziskava je bila objavljena v Nature Communications .