Programmierbare lebende Materialien mit synthetischer Biologie und 3D-Druck herstellen

Eine neue Studie nutzt den 3D-Druck und gentechnisch veränderte Pflanzenzellen zur Herstellung komplexer, selbstreparierender Materialien, die die Biofertigung und das Bauwesen revolutionieren könnten.

Während bisher hauptsächlich bakterielle und pilzbasierte Zellen für sogenannte Engineered Living Materials (ELMs) verwendet wurden, setzen Ziyi Yu, Zhengao Di und ihr Team auf die einzigartigen Eigenschaften von Pflanzenzellen. Die Forschenden mischten Tabakpflanzenzellen mit Gelatine und Hydrogel-Mikropartikeln, die Agrobacterium tumefaciens enthielten, einem Bakterium, das häufig zur DNA-Übertragung in Pflanzengenome genutzt wird. Diese Bio-Tinte wurde anschließend in Formen wie Gitter, Schneeflocken, Blätter und Spiralen 3D-gedruckt.

Nach dem Drucken härteten die Forschenden das Hydrogel mit blauem Licht aus, um die Strukturen zu verfestigen. Innerhalb von 48 Stunden übertrugen die Bakterien DNA auf die wachsenden Tabakzellen, welche anschließend mit Antibiotika behandelt wurden, um die Bakterien abzutöten. In den folgenden Wochen produzierten die Pflanzenzellen Proteine gemäß der übertragenen DNA, darunter grüne fluoreszierende Proteine und Betalaine, pflanzliche Pigmente, die als natürliche Farbstoffe und Nahrungsergänzungsmittel geschätzt werden.

Durch den Druck eines blattförmigen EPLMs mit zwei verschiedenen Bio-Tinten – eine für rote Pigmente entlang der Adern und eine für gelbe Pigmente im Rest des Blattes – demonstrierten die Forschenden, wie ihre Technik komplexe, räumlich kontrollierte und multifunktionale Strukturen herstellen kann. Solche EPLMs kombinieren die Merkmale lebender Organismen mit der Stabilität und Haltbarkeit nicht-lebender Substanzen und könnten beispielsweise in der Produktion pflanzlicher Metaboliten oder pharmazeutischer Proteine sowie im nachhaltigen Bauwesen genutzt werden.

Die Entwicklung von Engineered Plant Living Materials (EPLMs) durch 3D-Drucktechnologien markiert einen signifikanten Fortschritt in der Materialwissenschaft. Diese Materialien bieten das Potenzial, industrielle Fertigungsprozesse zu revolutionieren und gleichzeitig die Nachhaltigkeit zu erhöhen. Die Forschungsarbeit wurde durch mehrere chinesische Wissenschaftsfonds unterstützt.