3D打印大腸桿菌生物膜，可抵抗實驗室消毒劑，或將用于廢水處理
時間：2021-11-10 08:50 來源：DeepTech深科技 作者：admin 閱讀：次
細菌生物膜是細菌在細胞外基質（由蛋白質、多糖、脂質和細胞外 DNA 組成）中的三維組合，它們牢固地附著在生物或者非生物表面。生物膜廣泛存在于自然、醫療和工業環境中，它是一把雙刃劍。工業上，它促進可持續過程，例如生物修復、材料合成或毒素降解；但在醫學上，它可能會成為假肢、導管、縫合線、假牙和其他植入物的感染源。
近日，由荷蘭 Delft University of Technology 生物納米系的 Marie-Eve Aubin-Tam 博士和美國 University of Rochester 生物系的 Anne S. Meyer 博士共同領導的研究團隊從大腸桿菌中培養出生物膜樣本，并且使用 3D 打印技術操縱此類生物膜結構和機械性能。
大腸桿菌是一種革蘭氏陰性兼性厭氧菌，可以在有氧或無氧的情況下產生能量。作為一種廣泛研究的模式生物，它可以在 20 分鐘內培養，已用于重組 DNA 研究。大腸桿菌生物膜的細胞外基質由卷曲纖維（一種蛋白質成分）或纖維素（一種多糖成分）或兩者的組合組成，這種納米復合基質賦予大腸桿菌細胞生物和機械耐久性。
用 3D 打印調整大腸桿菌生物膜的基質組成和設計原則是分析生物膜組成和結構對其緊急耐受性影響的有效方法。該團隊采用了定制的 3D 打印機用于將形成生物膜的大腸桿菌任意圖案化到瓊脂基質上。不同菌株的大腸桿菌在其生物膜基質中表達纖維素 +/ 卷曲纖維 +、纖維素–/ 卷曲纖維 +、纖維素–/ 卷曲纖維–，生物膜被 3D 打印為四層結構，并測試它們對消毒劑的緊急生物耐受性。
經證明細菌生物膜可以有效被 3D 打印成不同的形狀，并且 3D 打印的生物膜顯示出對常用實驗室消毒劑（如乙醇和 Virkon S）的耐受，細胞外基質成分特別是卷曲纖維的存在，在 3D 打印的大腸桿菌生物膜中對消毒劑的生物耐受性的發展中起著重要作用。
該研究團隊還通過生物墨水和 3D 打印工藝的設計調整生物膜基質組成，例如改變細菌密度、卷曲密度和纖維素密度，這對這些消毒劑耐藥性的發展產生重大影響。經過實驗得出以下結論：底部細胞密度較高的生物膜設計比底部細胞密度較低的設計更能抵抗乙醇；調整每層中表達卷曲纖維的細菌的比例來調整卷曲纖維密度對乙醇的抗性沒有影響；生物膜基質中的纖維素本身不能賦予 3D 打印生物膜對乙醇的緊急耐受性。
（來源：維基百科）
由于大多數人類感染是由形成生物膜的細菌引起的，闡明生物膜抗性行為的原因可以促進更好地設計新的抗生物膜策略。然而，挑戰在于如何實現生物膜成分的自上而下的空間模式，以探究它們對生物特性的影響。3D 打印可用于應對這一挑戰。通過高度控制 3D 打印提供的形狀、設計和分辨率的自由度可以模擬天然生物膜的空間異質性和機械強度。3D
打印的生物膜模型可能比實驗室中常規研究的生物膜（在液體培養基或瓊脂中生長）更好地模擬天然生物膜的 3D
組織，可用于研究生物膜對抗菌劑的緊急生物耐受性等特性。近日，由荷蘭 Delft University of Technology 生物納米系的 Marie-Eve Aubin-Tam 博士和美國 University of Rochester 生物系的 Anne S. Meyer 博士共同領導的研究團隊從大腸桿菌中培養出生物膜樣本，并且使用 3D 打印技術操縱此類生物膜結構和機械性能。
大腸桿菌是一種革蘭氏陰性兼性厭氧菌，可以在有氧或無氧的情況下產生能量。作為一種廣泛研究的模式生物，它可以在 20 分鐘內培養，已用于重組 DNA 研究。大腸桿菌生物膜的細胞外基質由卷曲纖維（一種蛋白質成分）或纖維素（一種多糖成分）或兩者的組合組成，這種納米復合基質賦予大腸桿菌細胞生物和機械耐久性。
用 3D 打印調整大腸桿菌生物膜的基質組成和設計原則是分析生物膜組成和結構對其緊急耐受性影響的有效方法。該團隊采用了定制的 3D 打印機用于將形成生物膜的大腸桿菌任意圖案化到瓊脂基質上。不同菌株的大腸桿菌在其生物膜基質中表達纖維素 +/ 卷曲纖維 +、纖維素–/ 卷曲纖維 +、纖維素–/ 卷曲纖維–，生物膜被 3D 打印為四層結構，并測試它們對消毒劑的緊急生物耐受性。
經證明細菌生物膜可以有效被 3D 打印成不同的形狀，并且 3D 打印的生物膜顯示出對常用實驗室消毒劑（如乙醇和 Virkon S）的耐受，細胞外基質成分特別是卷曲纖維的存在，在 3D 打印的大腸桿菌生物膜中對消毒劑的生物耐受性的發展中起著重要作用。
圖 | 3D 打印生物膜暴露于不同濃度的 (A) 乙醇或 (B) Virkon S 10 分鐘后的緊急消毒劑耐受性（來源：研究論文）
該研究團隊還通過生物墨水和 3D 打印工藝的設計調整生物膜基質組成，例如改變細菌密度、卷曲密度和纖維素密度，這對這些消毒劑耐藥性的發展產生重大影響。經過實驗得出以下結論：底部細胞密度較高的生物膜設計比底部細胞密度較低的設計更能抵抗乙醇；調整每層中表達卷曲纖維的細菌的比例來調整卷曲纖維密度對乙醇的抗性沒有影響；生物膜基質中的纖維素本身不能賦予 3D 打印生物膜對乙醇的緊急耐受性。
圖 | 調整 (A) 細菌密度、(B) 卷曲密度和 (C) 纖維素密度對乙醇耐力的影響（來源：研究論文）
此外，該團隊的 3D 打印生物膜保留了原先的形狀，并顯示出對物理變形的非凡抵抗力。這意味著這些 “印刷品” 可以可逆地附著在細菌纖維素、玻璃和聚苯乙烯等表面上。這些 3D 打印的生物膜有可能應用于醫療器械、廢水處理、環境修復等方面的益生菌生物膜涂層。這為結合生物和材料科學的下一代智能材料鋪平了道路。
(責任編輯：admin)
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