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3D打印|更好用的3D打印“活体”墨水来了，合成生物的新工具包( 二 )


他们对最终目标的设想分为三个阶段，首先是设计出一种具有高打印保真度的可挤出生物墨水；然后再通过“自下而上”的方法完全由工程微生物来生产这种生物墨水；最后，则是创建出一个可编程的平台，在更大更宏观的层面实现 3D 打印活体结构的先进功能，从而将新兴的活体材料领域推向从未被开发的前沿科技蓝海中。
利用基因工程在这项工作中，他们做出了完全由基因工程的大肠杆菌生物膜制备出的微生物墨水。并且他们在论文中详细介绍了这款微生物墨水的具体特征，展示了其结构和形状的完整性。
更为长远的影响是，他们通过将基因工程的大肠杆菌细胞嵌入到微生物墨水里，显示了 3D 打印治疗性生物材料、隔离性生物材料和可调节性生物材料等多种潜在生物墨水的可能。
3D打印|更好用的3D打印“活体”墨水来了，合成生物的新工具包
文章插图
图 | 微生物墨水的设计策略、生产和功能应用示意图（来源：Nature Communications）
在图中的 a 部分，研究人员将源自纤维蛋白的 α（旋钮）和 γ（孔）蛋白结构域，与卷曲纳米纤维的主要结构成分 CsgA 相结合，对大肠杆菌进行基因工程改造以产生微生物墨水。
分泌后，CsgA-α 和 CsgA-γ 单体通过球状孔结合相互作用自组装成交联的纳米纤维。b展示了旋钮和孔域来自于纤维蛋白，它们在血凝块形成过程中的超分子聚合环节起到了关键作用。图中的 c 则显示，整个从工程蛋白质纳米纤维来生产微生物墨水的方案，涉及标准的细菌培养、有限的加工步骤，并且不必添加外源聚合物。最后微生物墨水被 3D 打印，来获得功能性生物材料。
这个设计的想法是基于研究团队的早期工作基础，在之前 Anna 和 Avinash 证明了大肠杆菌生物膜细胞外基质（ECM）的原生蛋白卷曲纳米纤维可通过将功能性多肽/蛋白质融合到卷曲 CsgA 的单体中来进行基因工程编辑，从而产生剪切稀释水凝胶。同时，为了创造出具有理想粘弹性的生物墨水，他们又引入了一种遗传工程的交联策略，这个灵感就来自于纤维蛋白（上图 b 中显示的部分）。
这项研究所制备出的微生物墨水，其设计重新利用了 alpha 和 gamma 模块之间的结合相互作用，即“旋钮-孔（knob-hole）”的相互作用，病引入纳米纤维之间的非共价交联，以求在保持剪切稀释性能的同时增强机械坚固性。此外，研究人员表示，该实验中还值得注意的是，由 CsgA 自组装形成的纤维具有高度稳定性，并能抵抗蛋白水解、洗涤剂诱导和热变性等多种优点。
合成生物学新工具可打印的生物墨水需要粘度足够低，并且既要便于挤压，又要足够高的强度以便在打印后保持其形状。
【 3D打印|更好用的3D打印“活体”墨水来了，合成生物的新工具包】这项成果，对于 3D 生物打印技术领域开发具有可调机械强度、高细胞活力和高打印保真度的高级生物墨水，起到了很大的推动作用，扩展了研究思维。
在他们看来，未来利用合成生物学家们研发出的、能够不断增长的生物部件“工具包”，微生物墨水可以进一步为各种生物技术和生物医学应用进行个性化的定制设计。特别是当需要与其他材料技术相结合时，例如那些已经将活细胞纳入结构建筑材料的技术，该研究所制备的微生物生物墨水会尤其重要。
此外，其也可以在类似太空等极端环境下的人类栖息地，支持结构建筑物的建成；因为在那种环境下原材料的运输是极为困难的，所以从非常有限的资源中按需生成建筑材料是必须要考虑的问题。
总体来看，目前 3D 生物打印尚且处于初始研发阶段，生物墨水作为生物 3D 打印技术环节上的关键材料，也是该领域的研究重点。

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