Erstellen lebender Materialien mit Bakterien und 3D-Druck

In einem Artikel mit dem Titel “Programmable and printable Bacillus subtilis biofilms as engineered living materials” diskutiert ein Forscherteam, wie sie mithilfe des 3D-Drucks benutzerdefinierte nanoskalige Biomaterialien aus der natürlichen Sekretion von Amyloidfasern aus den Bakterien Bacillus subtilis herstellen.

Die Bakterien erzeugen Biofilme durch Sekretion von Amyloidfasern über ein streng kontrolliertes Cluster von Genen, das als tapA-sipW-tasA-Operon bezeichnet wird. TapA bildet die extrazelluläre Anordnung von TasA-Proteinen zur Bildung von Amyloid-Nanofasern, die dem Biofilm seine strukturelle Integrität verleihen. Die Forscher konnten das TasA-Protein genetisch modifizieren und funktionelle chemische Gruppen auf die von den Bakterien ausgeschiedenen TasA-Fasern einführen. Dies bedeutet, dass die Bakterienfilme als funktionelle lebende Materialien gestaltet werden könnten.

Die Forscher waren in der Lage, die Bakterien so zu konstruieren, dass Fasern mit enzymatischen funktionellen Gruppen in harmlose Produkte abgesondert werden. Sie kombinierten auch die produzierten Biofilme mit mehreren Bakterienstämmen, wodurch sie das Pestizid Paraoxan in zwei Schritten abbauen konnten. Dies zeigt das Potenzial zur Herstellung effizienter, umweltfreundlicher Materialien.

Neben den funktionalen Fähigkeiten der Biofilme untersuchten die Forscher auch ihre Verarbeitbarkeit als Material. Aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften der Biofilme eignen sie sich gut für den 3D-Druck. Die Modifizierung der funktionellen Gruppen an den sezernierten Enzymen behinderte die Verarbeitbarkeit der Biofilme nicht, sondern ermöglichte es den Forschern, ihre viskoelastischen Eigenschaften für 3D-Druckanwendungen anzupassen.

“In einer Reihe von immer komplexer werdenden Proof-of-Concept-Demonstrationen haben wir diese konstruierten Biofilme in den Bereichen Fluoreszenzdetektion, Konjugationschemie, Einzelsubstrat-Bioremediation und Multireaction-Bioremediationskaskaden mit NPs eingesetzt”, erklären die Forscher.
“Wir haben auch die intrinsischen viskoelastischen Eigenschaften unserer technischen Biofilme genutzt und klar definierte” lebende Formen “hergestellt und diese Materialien mittels 3D-Druck und Mikroverkapselungstechniken in Hydrogele und Mikrogele eingeschlossen.”

Es wurde gezeigt, dass die lebenden Materialien sich nach dem Drucken selbst regenerieren können und ihre ursprüngliche Druckform sowie ihre viskoelastischen und funktionellen Eigenschaften beibehalten. Die Bakterien konnten sich in ihre Fasern einarbeiten, ohne das Wachstum des Biofilms oder die Lebensfähigkeit der Zellen zu beeinträchtigen. Die Zellen blieben fünf Wochen lang ohne Nahrungsergänzung lebensfähig.

“Da dieser neue Typ von lebendem Funktionsmaterial bisher unerreichte Materialleistungseigenschaften bietet, die für die Herstellung relevant sind, öffnet unsere Studie die Tür für die Entwicklung vieler denkbarer neuer Klassen komplexer multifunktionaler Materialien und dynamischer und regenerativer Nanotechnologien”, schließen die Forscher ab.

Zu den Autoren dieses Artikels gehören Jiaofang Huang, Suying Liu, Chen Zhang, Xinyu Wang, Jiahua Pu, Fang Ba, Shuai Xue, Haifeng Ye, Tianxin Zhao, Ke Li, Yanyi Wang, Jicong Zhang, Lihua Wang, Chunhai Fan, Timothy K. Lu & Chao Zhong.