Obecnie istnieje rosnąca potrzeba opracowania przyjaznych dla środowiska, zrównoważonych rozwiązań do produkcji materiałów o przestrzennym wzorze, ze względu na rosnącą liczbę rynków dla takich materiałów1. W artykule przedstawiono prostą, ekonomiczną metodę wytwarzania takich materiałów i dlatego oferuje szerokie spektrum przyszłych zastosowań. Przedstawiona metoda pozwala na trójwymiarowe (3D) drukowanie struktur o wzorze przestrzennym przy użyciu biotuszu zawierającego żywe bakterie. Bakterie pozostają żywe w wydrukowanych strukturach przez ponad tydzień, umożliwiając im wykonywanie naturalnych lub zmodyfikowanych czynności metabolicznych. Drukowane bakterie mogą w ten sposób wytwarzać i osadzać pożądane składniki w wydrukowanej strukturze, na przykład tworząc funkcjonalny usieciowany biofilm2.
Tradycyjne metody produkcji zaawansowanych materiałów wiążą się z wysokimi wydatkami energetycznymi (np. wysokimi temperaturami i/lub ciśnieniem) i mogą wytwarzać duże ilości odpadów chemicznych, często toksycznych substancji, które wymagają kosztownego utylizacji3,4. Natomiast wiele gatunków bakterii jest w stanie wytwarzać materiały, które można łatwo zastosować w różnych gałęziach przemysłu. Materiały te obejmują polimery, takie jak polihydroksyalkaniany (PHA)5 lub poli(glikolid-ko-laktyd) (PGLA)6, celuloza bakteryjna7, bakteryjne materiały betonowe8, kompozyty biomimetyczne9, kleje na bazie amyloidu10, lub przełączniki elektryczne na bazie biologii11, między innymi. Co więcej, produkcja przez bakterie cennych materiałów odbywa się zazwyczaj w temperaturach i ciśnieniach zbliżonych do otoczenia oraz w środowisku wodnym, bez konieczności stosowania lub wytwarzania toksycznych związków. Chociaż produkcja materiałów z wykorzystaniem bakterii została zademonstrowana w literaturze i pojawiły się już pewne zastosowania przemysłowe12,13, niezawodna metoda przestrzennego wzorowania takich materiałów pozostaje wyzwaniem.
Ten artykuł demonstruje prostą metodę przekształcenia taniej komercyjnej drukarki 3D w bakteryjną drukarkę 3D. Protokół pokazuje, jak przygotować biotusz zawierający i podtrzymujący żywe bakterie, a także jak przygotować podłoża, na których można wykonać druk 3D. Ta metoda jest odpowiednia do stosowania z różnymi naturalnymi i zmodyfikowanymi szczepami bakterii zdolnymi do wytwarzania materiałów. Bakterie te mogą być rozmieszczone przestrzennie w strukturze wydrukowanej w 3D i nadal kontynuować swoją aktywność metaboliczną, co spowoduje przestrzenny rozkład pożądanych materiałów wytwarzanych przez bakterie.
Ta metoda drukowania umożliwia addytywne wytwarzanie biofilmów, agregatów bakterii otoczonych samodzielnie wyprodukowaną macierzą zewnątrzkomórkową. Biofilmy to heterogeniczne sieci 3D, w których białka, polimery, komórki bakteryjne, tlen i składniki odżywcze są ustrukturyzowane przestrzennie14. Bakterie w postaci biofilmu wykazują zwiększoną oporność na antybiotyki i wytrzymałość strukturalną, co utrudnia ich wyeliminowanie z powierzchni, w tym cewników medycznych i implantów. Kluczem do właściwości biofilmu, a zarazem największym wyzwaniem dla badań nad biofilmem, wydaje się być niejednorodność biofilmów15,16,17. Produkcja przestrzennie kontrolowanych modelowych biofilmów jest szczególnie interesująca, ponieważ pozwoliłaby na odtworzenie lub dostrojenie wzorców przestrzennych składników biofilmu, pomagając w zrozumieniu stabilnego osadzania się biofilmów na praktycznie każdej powierzchni w przyrodzie.
Ten artykuł przedstawia metodę produkcji biofilmów za pomocą wydrukowanych w 3D hydrożeli zawierających zmodyfikowane bakterie E. coli, które wytwarzają białka biofilmu w obecności induktora, a także metody weryfikacji tworzenia biofilmu2. Głównymi składnikami macierzy zewnątrzkomórkowej tych biofilmów są włókna amyloidowe kędzierzawych 18, które zawierają samoorganizujące się białka CsgA. Kiedy zmodyfikowane bakterie E. coli są indukowane do ekspresji białek CsgA, tworzą stabilny biofilm modelowy, który chroni komórki przed wypłukaniem z powierzchni druku. Taki wydrukowany w 3D biofilm może być kontrolowany przestrzennie i może służyć jako użyteczne narzędzie badawcze do badania wieloskalowej mechaniki strukturalno-funkcjonalnej biofilmu lub materiomiki19. Te zindywidualizowane biofilmy pomogą w zrozumieniu zasad tworzenia biofilmu i jego właściwości mechanicznych, umożliwiając między innymi dalsze badania nad mechanizmami oporności na antybiotyki.