Bessere „lebende“ Tinte für den 3D-Druck ist da, ein neues Toolkit für die synthetische Biologie

Das technische Konzept des 3D-Drucks erfreut sich seit seinem ersten Auftauchen aus dem Nichts großer Beliebtheit. Mittlerweile hat es nicht nur in der wissenschaftlichen Forschung große Beachtung gefunden, sondern nimmt auch im industriellen Bereich Gestalt an. Es gibt bereits zahlreiche spezifische Anwendungen des 3D-Drucks in der Fertigungsindustrie, beispielsweise in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Rüstungsindustrie, sowie in vielen Branchen wie der medizinischen Versorgung, der kulturellen Kreativität und der Bildung. Die Formmaterialien bestehen grundsätzlich aus Metall oder Nichtmetall und liegen hauptsächlich in Pulver-, Draht- und flüssiger Form vor.

Mit der Reifung der 3D-Drucktechnologie und des Marktes werden die Schnittstellen mit Computergrafik, Robotik, Biowissenschaften, Materialwissenschaften und anderen Bereichen immer umfassender und der Grad der multidisziplinären Integration vertieft sich schrittweise, was dem 3D-Druck auch umfassendere Möglichkeiten und umfassende Entwicklungsperspektiven bietet. 3D-Bioprinting hat sich aus dem additiven Fertigungsverfahren des 3D-Drucks entwickelt, bei dem Materialien Schicht für Schicht aufgebaut werden und schließlich Produkte entstehen. Es können 3D-Gewebekonstrukte mit ähnlicher Gewebekomplexität hergestellt werden, die präzise gesteuert werden können.

Der Schlüssel zu dieser Technologie liegt in den Druckmaterialien und sie übernimmt auch die hohen Anforderungen des 3D-Drucks an Materialien. Die beim 3D-Biodruck verwendeten Materialien bestehen nicht mehr aus Metallen oder Nichtmetallen der Vergangenheit, sondern enthalten lebende Zellen und biologische Materialien, die allgemein als „Biotinte“ bezeichnet werden.

Als Druckmaterial muss Biotinte zunächst eine gute biologische Aktivität aufweisen, ähnlich der extrazellulären Matrix im Körper, damit sich die Zellen nach dem Drucken weiterentwickeln und Zell-zu-Zell-Verbindungen herstellen können. Zweitens muss es während des Druckens eine gute Formbarkeit und gute Fließfähigkeit aufweisen und nach dem Drucken schnell aushärten können.

Gegenwärtig wurden bei der Verwendung mikrobieller Verfahren zur Herstellung von Materialien für verschiedene Anwendungen einige Fortschritte erzielt, doch die Konstruktion dreidimensionaler Strukturen in beliebigen Mustern und Formen war schon immer eine große Herausforderung.

Kürzlich haben Studierende der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences der Harvard University, des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, der School of Medicine und der School of Engineering sowie des Department of Chemistry and Chemical Biology der Northeastern University eine Studie zu Biotinte abgeschlossen. Ihre Forschung kombiniert fortschrittliche Nanobiotechnologie mit aktiver Materialtechnologie und eröffnet so neue Möglichkeiten für die Herstellung funktionaler „lebender Organismen“ mithilfe der 3D-Biodrucktechnologie. Die Forschungsergebnisse wurden auch in Nature Communications, einer Tochtergesellschaft des Magazins Nature, veröffentlicht.

Die genetische Programmierbarkeit von Mikroorganismen nutzen

Lebende Zellen besitzen die Fähigkeit, molekulare Komponenten zu synthetisieren und sie präzise im Nanomaßstab zusammenzusetzen und so unter geeigneten Umweltbedingungen makroskopische lebende Funktionsstrukturen aufzubauen.

Anna und Avinash von der Harvard University leiteten ihr Forschungsteam bei der Entwicklung eines Druckmaterials, das sie „mikrobielle Tinte“ nannten.

Es besteht vollständig aus gentechnisch veränderten Mikrobenzellen und ist so programmiert, dass sich Proteinmonomere in einer Bottom-up-hierarchischen Weise selbst zu Nanofasern zusammensetzen und darüber hinaus ein Nanofaser-Netzwerk bilden, das ein extrudierbares Hydrogel enthält. Durch die Einbettung gentechnisch veränderter Escherichia coli (E. coli)-Zellen und Nanofasern in mikrobielle Tinten demonstrierten die Forscher die 3D-Drucktechnologie für funktionale Biomaterialien. Diese Technologie kann toxische Teile effektiv isolieren, biologische Wirkstoffe freisetzen und das Wachstum der eigenen Zellen durch chemische Induktion mithilfe rational gestalteten genetischen Materials regulieren.

Tatsächlich ist 3D-Bioprinting im Kontext der Gewebezüchtung eine relativ ausgereifte Technologie zum Drucken von Säugetierzellen und wird seit kurzem auch zum Drucken von mikrobiellen Zellen eingesetzt, die in der Biotechnologie und Biomedizin benötigt werden. Allerdings sind die heute erforschten Technologien wie Tintenstrahldruck, Kontaktdruck, Siebdruck und Lithografiedruck im Vergleich zur extrusionsbasierten Biodrucktechnologie hinsichtlich Kompatibilität und Kosteneffizienz etwas unzureichend. Daher gibt es im Rahmen dieses Konzepts zahlreiche Forschungsmethoden und -wege und es wurden viele Arten von Biotinten untersucht.

Doch bislang hat noch niemand die genetische Programmierbarkeit von Mikroorganismen voll ausgenutzt, um die mechanischen Eigenschaften von Biotinten rational zu steuern.

Die Forscher sind überzeugt, dass diese Idee aus verschiedenen Gründen dazu beitragen wird, nachhaltige Herstellungsverfahren voranzutreiben, Rohstoffe in ressourcenarmen Umgebungen (wie etwa in manchen Ödländern oder fremden Universen) zu produzieren und die Leistungsfähigkeit von Materialien durch die Präzision biomimetischer Konstruktion und Gentechnik zu verbessern. Dies ist die ursprüngliche Absicht von Anna und Avinash bei der Durchführung dieses Forschungsprojekts.

Ihre Vision für das ultimative Ziel ist in drei Phasen unterteilt. Das erste Ziel besteht darin, eine extrudierbare Biotinte mit hoher Druckgenauigkeit zu entwickeln. dann diese Biotinte vollständig aus gentechnisch veränderten Mikroorganismen durch einen „Bottom-up“-Ansatz herzustellen; Und schließlich geht es darum, eine programmierbare Plattform zu schaffen, mit der die erweiterten Funktionen von 3D-gedruckten lebenden Strukturen auf einer größeren und makroskopischeren Ebene erreicht werden können. Dadurch soll das aufstrebende Feld der lebenden Materialien in einen unerschlossenen blauen Ozean der Grenztechnologie vordringen.

Mit Hilfe der Gentechnik

Im Rahmen dieser Arbeit entwickelten sie mikrobielle Tinte, die vollständig aus gentechnisch veränderten Escherichia coli-Biofilmen besteht. In ihrem Artikel beschreiben sie detailliert die spezifischen Eigenschaften dieser mikrobiellen Tinte und demonstrieren die Integrität ihrer Struktur und Form.

Die langfristigere Auswirkung besteht darin, dass sie durch die Einbettung gentechnisch veränderter Escherichia coli-Zellen in mikrobielle Tinten die Möglichkeit demonstrierten, eine Vielzahl potenzieller Biotinten wie therapeutische Biomaterialien, Isolationsbiomaterialien und anpassbare Biomaterialien im 3D-Druckverfahren herzustellen.

Abbildung | Schematische Darstellung der Designstrategie, Herstellung und funktionalen Anwendung mikrobieller Tinte (Quelle: Nature Communications)

In Teil a der Abbildung haben die Forscher Escherichia coli gentechnisch so verändert, dass sie mikrobielle Tinte produzieren konnten, indem sie die aus Fibrin stammenden Proteindomänen α (Knopf) und γ (Loch) mit CsgA, dem wichtigsten Strukturbestandteil der gewellten Nanofasern, kombinierten.

Nach der Sekretion assemblieren sich CsgA-α- und CsgA-γ-Monomere durch kugelförmige Porenbindungswechselwirkungen selbst zu vernetzten Nanofasern. b zeigt, dass die Knopf- und Lochdomänen von Fibrin stammen und eine Schlüsselrolle im supramolekularen Polymerisationsprozess der Blutgerinnselbildung spielen. Abbildung c zeigt, dass das gesamte Schema zur Herstellung mikrobieller Tinten aus künstlich hergestellten Protein-Nanofasern eine Standardbakterienkultur und begrenzte Verarbeitungsschritte umfasst und keine Notwendigkeit zur Zugabe exogener Polymere besteht. Schließlich wurde die mikrobielle Tinte im 3D-Druckverfahren gedruckt, um funktionale Biomaterialien zu erhalten.

Die Idee für dieses Design basiert auf früheren Arbeiten des Forschungsteams, in denen Anna und Avinash zeigten, dass native Protein-Curli-Nanofasern der extrazellulären Matrix (ECM) des Escherichia coli-Biofilms gentechnisch verändert werden können, indem funktionelle Peptide/Proteine ​​mit den Curli-CsgA-Monomeren verschmolzen werden, um scherverdünnende Hydrogele zu erzeugen. Um eine Biotinte mit idealer Viskoelastizität zu erzeugen, führten sie gleichzeitig eine gentechnisch veränderte, von Fibrin inspirierte Vernetzungsstrategie ein (siehe Abbildung b oben).

Die in dieser Studie hergestellte mikrobielle Tinte wurde unter Wiederverwendung der Bindungswechselwirkung zwischen Alpha- und Gammamodulen, nämlich der „Knopf-Loch“-Wechselwirkung, und durch Einführung nichtkovalenter Querverbindungen zwischen Nanofasern entwickelt, um die mechanische Robustheit zu verbessern und gleichzeitig die strukturviskosen Eigenschaften beizubehalten. Darüber hinaus sagten die Forscher, dass es auch erwähnenswert sei, dass die durch die Selbstassemblierung von CsgA gebildeten Fasern sehr stabil seien und mehreren Einflüssen wie Proteolyse, durch Detergenzien induzierter und thermischer Denaturierung widerstehen könnten.

Neue Werkzeuge für die synthetische Biologie

Druckbare Biotinten müssen eine Viskosität aufweisen, die niedrig genug ist, um leicht extrudiert werden zu können, aber dennoch stark genug, um nach dem Drucken ihre Form zu behalten.

Diese Errungenschaft hat die Entwicklung fortschrittlicher Biotinten mit einstellbarer mechanischer Festigkeit, hoher Zelllebensfähigkeit und hoher Druckgenauigkeit im Bereich der 3D-Biodrucktechnologie erheblich vorangetrieben und das Forschungsdenken erweitert.

Ihrer Ansicht nach können mikrobielle Tinten in Zukunft mithilfe des ständig wachsenden „Toolkits“ biologischer Teile, das von synthetischen Biologen entwickelt wird, für verschiedene biotechnologische und biomedizinische Anwendungen weiter angepasst werden. Die vom Institut hergestellten mikrobiellen Biotinten könnten insbesondere dann von Bedeutung sein, wenn sie mit anderen Materialtechnologien kombiniert werden, etwa mit Technologien, bei denen lebende Zellen in strukturelle Baumaterialien integriert wurden.

Darüber hinaus kann es auch den Bau von Strukturen in menschlichen Lebensräumen in extremen Umgebungen wie dem Weltraum unterstützen; Da der Transport von Rohstoffen in solchen Umgebungen äußerst schwierig ist, muss die bedarfsgerechte Erzeugung von Baumaterialien aus sehr begrenzten Ressourcen in Betracht gezogen werden.

Insgesamt befindet sich der 3D-Biodruck noch in der Anfangsphase der Forschung und Entwicklung. Auch Biotinte als Schlüsselmaterial der biologischen 3D-Drucktechnologie ist ein Forschungsschwerpunkt in diesem Bereich.

Was Marktanwendungen betrifft, ist es noch zu früh, um über den Umfang und die Kommerzialisierung dieser Technologien zu sprechen. Dieses Forschungsfeld birgt jedoch ein großes Potenzial für die zukünftige Entwicklung und kann ein breites Spektrum an Anwendungen umfassen, darunter personalisierte medizinische Geräte, die Entwicklung neuer Biomaterialien, dreidimensionaler Gerüste und dreidimensionaler Zellkulturen, regenerative Medizin, die Konstruktion mehrzelliger biologischer Strukturen und die von den Forschern in dem Artikel ins Auge gefassten Baumaterialien.

Man kann sagen, dass sich die biologische 3D-Drucktechnologie sehr schnell entwickelt und verschiedenen Bereichen wie der Chirurgie und der regenerativen Medizin große Vorteile bringt. Wir können davon ausgehen, dass in diesem Bereich in Zukunft weitere Technologien entstehen werden, die die menschliche Gesellschaft verbessern und verwandte Branchen verändern können.

Quellen:

https://www.rs-online.com/designspark/home

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2017/12/3d-printed-minifactories.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/12/171201181555.htm

Verfasst von: Yang Qi

Herausgeber: HS

Layout: Li Xuewei