Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) desenvolveram um novo método para impressão 3-D de micróbios vivos em padrões controlados, expandindo o potencial de uso de bactérias projetadas para recuperar metais de terras raras, águas residuais limpas, detectar urânio e muito mais.

Por meio de uma nova técnica que usa resina infundida com luz e bactérias para produzir micróbios com padrão 3-D, a equipe de pesquisa imprimiu com sucesso biofilmes artificiais semelhantes às camadas finas de comunidades microbianas prevalentes no mundo real. A equipe de pesquisa suspendeu as bactérias em bioresinas fotossensíveis e "prendeu" os micróbios em estruturas 3-D usando luz LED da impressora 3D do Aparelho Estereolitográfico para Bioprinting Microbial (SLAM) desenvolvido pelo LLNL. A máquina de estereolitografia de projeção pode imprimir em alta resolução da ordem de 18 mícrons - quase tão fina quanto o diâmetro de uma célula humana.

No papel, que aparece online no jornal Nano Letras , os pesquisadores provaram que a tecnologia pode ser usada de forma eficaz para projetar comunidades microbianas estruturalmente definidas. Eles demonstraram a aplicabilidade de tais biofilmes impressos em 3-D para biossensorio de urânio e aplicações de biominação de terras raras e mostraram como a geometria influencia o desempenho dos materiais impressos.

"Estamos tentando impulsionar a tecnologia de cultura microbiana 3-D, "disse o investigador principal e bioengenheiro do LLNL William" Rick "Hynes." Achamos que é um espaço pouco investigado e sua importância ainda não é bem compreendida. Estamos trabalhando para desenvolver ferramentas e técnicas que os pesquisadores possam usar para investigar melhor como os micróbios se comportam em geometrias complexas, ainda condições altamente controladas. Acessando e melhorando as abordagens aplicadas com maior controle sobre a estrutura 3-D das populações microbianas, seremos capazes de influenciar diretamente como eles interagem uns com os outros e melhorar o desempenho do sistema dentro de um processo de produção de biofabricação. "

Embora pareça simples, Hynes explicou que os comportamentos microbianos são extremamente complexos, e são impulsionados por características espaço-temporais de seu ambiente, incluindo a organização geométrica dos membros da comunidade microbiana. A forma como os micróbios são organizados pode afetar uma série de comportamentos, como como e quando eles crescem, o que eles comeram, como eles cooperam, como eles se defendem dos concorrentes e quais moléculas produzem, Hynes disse.

Métodos anteriores para a produção de biofilmes em laboratório forneceram aos cientistas pouco controle sobre a organização microbiana dentro do filme, limitando a capacidade de compreender totalmente as interações complexas vistas em comunidades bacterianas no mundo natural, Hynes explicou. A capacidade de bioimpressão de micróbios em 3-D permitirá que os cientistas do LLNL observem melhor como as bactérias funcionam em seu habitat natural, e investigar tecnologias como eletrossíntese microbiana, em que bactérias "comedoras de elétrons" (eletrótrofos) convertem o excesso de eletricidade fora do horário de pico para produzir biocombustíveis e produtos bioquímicos.

Atualmente, a eletrossíntese microbiana é limitada porque a interface entre os eletrodos (geralmente fios ou superfícies 2-D) e as bactérias é ineficiente, Hynes acrescentou. Por micróbios de impressão 3-D em dispositivos combinados com materiais condutores, os engenheiros devem obter um biomaterial altamente condutor com uma interface eletrodo-micróbio bastante expandida e aprimorada, resultando em sistemas de eletrossíntese muito mais eficientes.

Os biofilmes são de interesse crescente para a indústria, onde eles são usados ​​para remediar hidrocarbonetos, recuperar metais críticos, remover cracas de navios e como biossensores para uma variedade de produtos químicos naturais e artificiais. Com base nas capacidades de biologia sintética do LLNL, onde a bactéria Caulobacter crescentus foi geneticamente modificada para extrair metais de terras raras e detectar depósitos de urânio, Os pesquisadores do LLNL exploraram o efeito da geometria da bioimpressão na função microbiana no último artigo.

Em um conjunto de experimentos, os pesquisadores compararam a recuperação de metais de terras raras em diferentes padrões de bioimpressão e mostraram que as células impressas em uma grade 3-D podem absorver os íons metálicos muito mais rapidamente do que em hidrogéis convencionais. A equipe também imprimiu sensores de urânio vivo, observar o florescimento crescente nas bactérias projetadas em comparação com as impressões de controle.

"O desenvolvimento desses biomateriais eficazes com funções microbianas aprimoradas e propriedades de transporte de massa tem implicações importantes para muitas bioaplicações, "disse o co-autor e microbiologista do LLNL Yongqin Jiao." A nova plataforma de bioprinting não só melhora o desempenho do sistema e escalabilidade com geometria otimizada, mas mantém a viabilidade celular e permite o armazenamento de longo prazo. "

Os pesquisadores do LLNL continuam a trabalhar no desenvolvimento de redes 3-D mais complexas e na criação de novas bioresinas com melhor impressão e desempenho biológico. Eles estão avaliando materiais condutores, como nanotubos de carbono e hidrogéis para transportar elétrons e bactérias eletrotróficas bioprinted para aumentar a eficiência de produção em aplicações de eletrossíntese microbiana. A equipe também está determinando a melhor forma de otimizar a geometria do eletrodo bioimpresso para maximizar o transporte de massa de nutrientes e produtos através do sistema.

"Estamos apenas começando a entender como a estrutura governa o comportamento microbiano e esta tecnologia é um passo nessa direção, "disse a bioengenheira e co-autora da LLNL, Monica Moya." Manipular os micróbios e seu ambiente físico-químico para permitir funções mais sofisticadas tem uma gama de aplicações que incluem a biomanufatura, remediação, bio-detecção / detecção e até mesmo desenvolvimento de materiais vivos projetados - materiais que são padronizados de forma autônoma e podem se auto-reparar ou sentir / responder ao seu ambiente. "