Американские ученые разработали живые чернила, которые способны обезвредить токсины

18:23 25 Ноябрь Киев, Украина

Американские ученые разработали живые чернила с микробами, которые можно генетически программировать. Подходящий для 3D-печати гель состоит из бактерий, запрограммированных на выработку белков, самостоятельно собирающихся в сеть нановолокон. Полученный материал может высвобождать лекарства, выводить токсины из среды и регулировать количество клеток в своем составе. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Печатали ли бактериями раньше?

Идея печатать бактериями не нова. Предыдущие исследователи в этой сфере испытывали печать разных видов — струйную, трафаретную, контактную и литографическую. Однако биопечать на основе экструзии, используемая в 3D-принтерах, оказалась наиболее простой и совместимой со многими инструментами. Это подтвердилось в нескольких исследованиях, проводившихся ранее. В частности, кишечную палочку E. coli сочетали с альгинатом и выжимали на поверхность из хлорида кальция. На ней молекулы альгината сочетались между собой и образовывали твердеющий гель. Подобного эффекта удалось достичь с цианобактериями. Другой "микс" с бактериями на основе акрилата позволил создать живой, активный материал, способный к химическим реакциям.

Во время печати бактериями исследователи встречались с разными сложностями. Например, нанесенный живой материал увеличивался в три раза, терял упругость и вязкость или «работал» только с одним типом клеток. При этом ученые до сих пор не использовали в полном объеме возможность генетически программировать бактерии.

Как удалось создать «живые чернила»?

Биочернила должны быть достаточно редкими, чтобы легко наноситься, и в то же время достаточно вязкими, чтобы сохранять форму. Также они должны состоять из биосовместимых веществ, которые создают благоприятные условия для роста живых клеток. Обычно для этого использовали вещество, имитирующее внеклеточный матрикс. Однако в новом исследовании ученые из Гарвардского университета, Гарвардской медицинской школы и Северо-Восточного университета сменили внеклеточный матрикс бактериальной пленки E. coli , чтобы она сама служила чернилами.

Для обеспечения нужной вязкости и упругости ученые запрограммировали бактерии на образование белковых полимерных молекул в виде свитых нановолокон, связывающихся друг с другом. Они вдохновлялись фибрином - белком, отвечающим за свертываемость крови и возникновение тромбов. Затем бактериальные культуры профильтровали, чтобы сконцентрировать производимые ими нановолокна, и получили эластичный гидрогель.

Чтобы чернила могли выполнять определенные функции, в гидрогель добавили бактерии E. coli. В первом эксперименте их генетически запрограммировали так, чтобы они могли синтезировать и выделять противоопухолевый азурин белок. Таким образом, создали потенциальный терапевтический живой материал, пригодный к 3D-печати. В следующем эксперименте ученые таким же способом «научили» бактерии в материале изолировать токсическое химическое вещество бисфенол А. Напоследок исследователи запрограммировали бактерии так, чтобы можно было контролировать их размножение или гибель. Это необходимо, чтобы регулировать увеличение или уменьшение количества живых чернил.

Зачем будут использовать живые чернила?

Эксперименты продемонстрировали, что биосовместимые вещества можно создавать с помощью генной инженерии и минимальной обработки. Добавляя в чернила из таких веществ запрограммированные бактерии, исследователи получают живые материалы для 3D-печати. Как доказали ученые, один из таких материалов может производить противоопухолевый препарат азурин — единственный известный белок бактериального происхождения, вызывающий гибель раковых клеток.

Другой материал способен изолировать токсический бисфенол А — вещество, используемое при производстве пластмассы. Она оказывает негативное влияние на здоровье детей, может быть связана с диабетом и сердечно-сосудистыми заболеваниями. За сутки живые чернила смогли изолировать 27 процентов бисфенола А из окружающей их среды.

Кроме того, изобретенные «живые чернила» можно запрограммировать так, чтобы управлять их количеством. Бактерии будут размножаться или умирать в зависимости от потребностей ученых.

Впоследствии полученные чернила можно адаптировать для других медицинских применений. Их можно совместить с другими технологиями — например, использованием живых клеток в строительных материалах. Это может быть полезно для строительства в космосе или внеземных средах обитания, где ресурсы будут ограниченными, а доставка материалов — сложной из-за неблагоприятных для людей условий.