利用合成生物學和3D打印制作可編程生命材料

南極熊導讀：新研究利用3D打印和轉基因植物細胞來制造復雜的自我修復材料，未來有可能徹底改變生物制造和建筑技術。

△研究人員成功地使用含有轉基因植物細胞的生物墨水進行3D打印，生產出可編程的生物材料。該研究已發(fā)表在ACS Central Science期刊上，題目為“通過煙草BY-2細胞在定制顆粒水凝膠支架中的生長和轉染，推進工程植物活體材料的發(fā)展”（傳送門）

2024年5月2日，南極熊獲悉，研究人員利用3D打印技術和轉基因植物細胞研發(fā)了一種新型生物材料，這種材料具有自我修復功能，能夠對環(huán)境做出反應，將可能徹底改變生物制造和建筑領域的發(fā)展。

△PLM 3D生物打印示意圖

探索材料工程中的植物細胞

最近，研究人員一直在開發(fā)工程活體材料，主要依靠細菌和真菌細胞作為活體成分。然而，植物細胞的獨特功能激起了人們將其用于工程植物活體材料（EPLMs）的熱情。

以往，科學家們創(chuàng)建的基于植物細胞的材料結構相當簡單，功能有限。因此，研究人員希望改變這種狀況，他們制作了形狀復雜的EPLM，其中含有可定制行為和功能的基因工程植物細胞。

△在第一天（左）和第14天（右）之間，水凝膠中3D打印的植物細胞生長并開始茂盛成黃色簇

創(chuàng)新的3D打印技術

研究人員將煙草植物細胞與含有農桿菌的明膠和水凝膠微粒混合，農桿菌是一種常用于將DNA片段轉入植物基因組的細菌。

然后將這種生物墨水混合物在平板上或裝有另一種凝膠的容器內進行3D打印，形成網格、雪花、葉子和螺旋等形狀。接著，用藍光固化打印材料中的水凝膠，使結構硬化。在隨后的48小時內，EPLMs中的細菌將DNA轉移到生長中的煙草細胞上。

然后用抗生素清洗材料，殺死細菌。在接下來的幾周里，隨著植物細胞在EPLMs中生長和復制，它們開始根據轉移的DNA生成蛋白質。

△由兩種不同的生物墨水制成的多功能EPLM的構建。24天后，植物細胞用兩種不同的生物墨水打印在這種葉形工程活材料上產生的顏色清晰可見

概念驗證和未來應用

在這項概念驗證研究中，通過轉移的DNA，煙草植物細胞能夠產生綠色熒光蛋白或貝特類色素，即紅色或黃色的植物色素，可作為天然著色劑和膳食補充劑。通過使用兩種不同的生物墨水打印葉形EPLM（一種墨水沿葉脈產生紅色色素，另一種墨水在葉片的其他部分產生黃色色素），研究人員表明，他們的技術可以產生復雜的、空間可控的多功能結構。

這種EPLM結合了生物體的特征和非生物物質的穩(wěn)定性和耐久性，可以用作細胞工廠，生產植物代謝物或藥物蛋白質，甚至用于可持續(xù)建筑應用。