Команда из университета Аалто использовала бактерии, чтобы произвести сложно устроенные трёхмерные объекты из наноцеллюлозы. Используя эту технику, команда может управлять ростом колоний бактерий посредством сверхводоотталкивающих — или «сверхгидрофобных» — поверхностей. Полученные объекты имеют огромнейший потенциал медицинского использования, включая поддержку регенерации тканей или как своеобразные «строительные леса» для замены повреждённых органов. Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.
В отличие от волоконных объектов, созданных посредством имеющихся на данный момент методов 3D-печати, новая техника позволяет ориентировать волокна диаметром в тысячу раз тоньше человеческого волоса в любом направлении, даже поперёк слоёв, а также обеспечивает различные градиенты толщины и топографии, что открывает новые возможности применения в регенерации тканей. Такие физические характеристики очень важны для материалов, поддерживающих рост и регенерацию определённых видов тканей в мышцах и мозгу.
«Это как иметь миллиарды крошечных 3D-принтеров, которые умещаются в бутылке, — объясняет Луис Грека, аспирант в университете Аалто. — Мы можем представить бактерии в виде природных микроскопических роботов, которые берут предоставленные им строительные блоки и, при должных вводных данных, создают сложные формы и структуры».
Оказавшись в сверхгидрофобной матрице с водой и питательными веществами: углеводами, белками и воздухом, — аэробные бактерии производят наноцелюллозу. Сверхгидрофобная поверхность, по сути, удерживает тонкий слой воздуха, который заставляет бактерии создавать волоконную биоплёнку, повторяющую поверхность и форму матрицы. Со временем биоплёнка растёт в толщину, и созданный объект становится прочнее.
Используя эту технику, команда создала трёхмерные объекты с заранее заданными характеристиками, размером от одной десятой диаметра человеческого волоса и до 15–20 сантиметров. Наноразмерные волокна не вызывают отрицательных реакций при контакте с тканями человека. Метод также может быть использован, чтобы создавать реалистичные модели органов для тренировки хирургов или улучшения точности тестов in vitro.
«Очень будоражит возможность улучшить ту область биопроизводства, которая смогла бы воспользоваться преимуществами прочных целлюлозных нановолокон и сетей, образуемых ими. Мы исследуем их применение для помощи при возрастных изменениях тканей, и этот метод — ещё один шаг вперёд в этом и других направлениях», — говорит ведущий исследователь группы профессор Орландо Рохас. Он добавляет, что штамм бактерии, использованной командой, Komagataeibacter medellinensis, был открыт на местном рынке города Медельин в Колумбии предыдущей группой из частного Папского Боливарского Университета. И в природе, и в инженерии сверхгидрофобные поверхности проектируются так, чтобы минимизировать прилипание частиц пыли и микроорганизмов. Ожидается, что эта работа откроет новые возможности использования сверхгидрофобных поверхностей для точного производства природных материалов.
Бактерии могут быть как удалены, так и оставлены в конечном материале, так что 3D-объекты могут эволюционировать со временем, как живые организмы. Результаты исследования — это важный шаг на пути к полному контролю над бактериальным производством материалов.
«Наше исследование на самом деле показывает необходимость понимания как отдельных деталей взаимодействия бактерий на границе двух сред, так и их способности создавать возобновляемые материалы. Мы надеемся, что эти результаты также вдохновят как учёных, работающих над созданием поверхностей, отталкивающих бактерий, так и тех, кто создаёт материалы из бактерий», — говорит доктор Блейз Тарди.
Перевод Антон Меньшенин, редактор Елена Королёва.