Американські вчені розробили живе чорнило з мікробами, які можна генетично програмувати. Придатний для 3D-друку гель складається з бактерій, запрограмованих на вироблення білків, що самостійно збираються в мережу нановолокон. Отриманий матеріал може вивільняти ліки, виводити токсини з середовища та регулювати кількість клітин у своєму складі. Результати дослідження опублікували в журналі Nature.
Duraj-Thatte et al. / Nature Communications
Чи друкували бактеріями раніше?
Ідея друкувати бактеріями не нова. Попередні дослідники у цій сфері випробовували друк різних видів — струменевий, трафаретний, контактний і літографічний. Однак біодрук на основі екструзії, який використовується у 3D-принтерах, виявився найбільш простим і сумісним з багатьма інструментами. Це підтвердилось у кількох дослідженнях, які проводились раніше. Зокрема, кишкову паличку E. coli поєднували з альгінатом та витискали на поверхню з хлориду кальцію. На ній молекули альгінату поєднувались між собою та утворювали твердіючий гель. Схожого ефекту вдалось досягнути з ціанобактеріями. Інший «мікс» із бактеріями на основі акрилату дозволив створити живий, активний матеріал, здатний до хімічних реакцій.
Під час друку бактеріями дослідники зустрічались із різними складнощами. Наприклад, нанесений живий матеріал збільшувався утричі, втрачав пружність та в’язкість, або «працював» лише з одним типом клітин. При цьому, вчені досі не використовували у повному обсязі можливість генетично програмувати бактерії.
Як вдалося створити живе чорнило?
Біочорнило має бути досить рідким, щоб легко наноситись, та водночас досить в’язким, щоб зберігати форму. Також воно має складатись із біосумісних речовин, які створюють сприятливі умови для росту живих клітин. Зазвичай для цього використовували речовину, що імітує позаклітинний матрикс. Однак у новому дослідженні вчені з Гарвардського університету, Гарвардської медичної школи та Північно-Східного університету змінили позаклітинний матрикс бактеріальної плівки E. coli, щоб вона сама слугувала чорнилом.
Для забезпечення потрібної в’язкості та пружності, вчені запрограмували бактерії на утворення білкових полімерних молекул у вигляді завитих нановолокон, які зв'язуються одне з одним. Вони надихались фібрином — білком, який відповідає за згортання крові та виникнення тромбів. Потім бактеріальні культури профільтрували, щоб сконцентрувати вироблені ними нановолокна, та отримали еластичний гідрогель.
Щоб чорнило могло виконувати певні функції, до гідрогелю додали бактерії E. coli. У першому експерименті їх генетично запрограмували так, щоб вони могли синтезувати та виділяти протипухлинний білок азурин. Таким чином створили потенційний терапевтичний живий матеріал, придатний до 3D-друку. У наступному експерименті вчені таким само способом «навчили» бактерії у матеріалі ізолювати токсичну хімічну речовину бісфенол А. Наостанок дослідники запрограмували бактерії так, щоб можна було контролювати їхнє розмноження або загибель. Це потрібно, щоб регулювати збільшення або зменшення кількості живого чорнила.
Для чого будуть використовувати живе чорнило?
Експерименти продемонстрували, що біосумісні речовини можна створювати за допомогою генної інженерії та мінімальної обробки. Додаючи до чорнила із таких речовин запрограмовані бактерії, дослідники отримують живі матеріали для 3D-друку. Як довели вчені, один з таких матеріалів може виробляти протипухлинний препарат азурин — єдиний відомий білок бактеріального походження, який спричиняє загибель ракових клітин.
Інший матеріал здатний ізолювати токсичний бісфенол А — речовину, яку використовують під час виробництва пластмаси. Вона негативно впливає на здоров’я дітей, може бути пов’язана з діабетом і серцево-судинними захворюваннями. За добу живе чорнило змогло ізолювати 27 відсотків бісфенолу А з середовища, яке його оточувало.
Крім того, винайдене живе чорнило можна запрограмувати так, щоб керувати їхньою кількістю. Бактерії всередині будуть розмножуватись або помирати залежно від потреб учених.
Згодом отримане чорнило можна адаптувати для інших медичних застосувань. Його також можна поєднати з іншими технологіями — наприклад, використанням живих клітин у будівельних матеріалах. Це може бути корисним для будівництва у космосі або позаземних середовищах існування, де ресурси будуть обмеженими, а доставка матеріалів — складною через несприятливі для людей умови.