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(zhuǎn)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(shù)。

△研究人員成功地使用含有轉(zhuǎn)基因植物細胞的生物墨水進行3D打印，生產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)和轉(zhuǎn)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?qū)Νh(huán)境做出反應(yīng)，將可能徹底改變生物制造和建筑領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(shù)

研究人員將煙草植物細胞與含有農(nóng)桿菌的明膠和水凝膠微�；旌�，農(nóng)桿菌是一種常用于將DNA片段轉(zhuǎn)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(nèi)進行3D打印，形成網(wǎng)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(jié)構(gòu)硬化。在隨后的48小時內(nèi)，EPLMs中的細菌將DNA轉(zhuǎn)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(jù)轉(zhuǎn)移的DNA生成蛋白質(zhì)。

△由兩種不同的生物墨水制成的多功能EPLM的構(gòu)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(chǎn)生的顏色清晰可見

概念驗證和未來應(yīng)用

在這項概念驗證研究中，通過轉(zhuǎn)移的DNA，煙草植物細胞能夠產(chǎn)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(chǎn)生紅色色素，另一種墨水在葉片的其他部分產(chǎn)生黃色色素），研究人員表明，他們的技術(shù)可以產(chǎn)生復雜的、空間可控的多功能結(jié)構(gòu)。

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