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Lawrence Livermore National Laboratory Biomaterialien mit mikrobiellen Funktionen

Redakteur: Dorothee Quitter

Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben eine neue Methode für den 3D-Druck lebender Mikroorganismen in kontrollierten Mustern entwickelt, um deren Potenzial z.B. zur Wiedergewinnung von Seltenerdmetallen, für die Elektrosynthese oder zum Nachweis von Uran zu testen.

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Der am LLNL entwickelte Stereolithographie-Bioprinter kann in der hohen Auflösung von 18 Mikrometern drucken – fast so dünn wie der Durchmesser einer menschlichen Zelle.
Der am LLNL entwickelte Stereolithographie-Bioprinter kann in der hohen Auflösung von 18 Mikrometern drucken – fast so dünn wie der Durchmesser einer menschlichen Zelle.
(Bild: Thomas Reason/LLNL)

Mit dem neu entwickelten Stereolithographic Apparatus for Microbial Bioprinting(SLAM)-3D-Drucker stellt das Forscherteam des LLNL künstliche Biofilme her, die den mikrobiellen Gemeinschaften der realen Welt ähneln. Dazu werden Mikroorganismen wie Bakterien einem lichtempfindlichen Harz hinzugefügt und zu 3D-Strukturen mit LED-Licht ausgehärtet. Der SLAM-Drucker kann in der hohen Auflösung von 18 µm drucken – fast so dünn wie der Durchmesser einer menschlichen Zelle.

Effizientere Elektrosynthese möglich

Mit den 3D-gedruckten Mikroben können die Wissenschaftler nun beobachten, wie Bakterien in ihrem natürlichen Lebensraum funktionieren. Ebenso kann die mikrobielle Elektrosynthese untersucht werden. Diese ist derzeit begrenzt, da die Verbindung zwischen Elektroden (in der Regel Drähte oder 2D-Oberflächen) und Bakterien ineffizient ist. Durch den 3D-Druck von Mikroben in Kombination mit leitfähigen Materialien könnten Ingenieure ein hochleitfähiges Biomaterial mit einer stark erweiterten und verbesserten Elektroden-Mikroben-Schnittstelle erreichen, was zu wesentlich effizienteren Elektrosynthesesystemen führt.

3D-Gitter bewirkt höhere mikrobielle Funktion

Biofilme sind von wachsendem Interesse für die Industrie, wo sie verwendet werden, um Kohlenwasserstoffe umzuwandeln, seltene Metalle zurückzugewinnen und als Biosensoren für eine Vielzahl von natürlichen und vom Menschen hergestellten Chemikalien zu fungieren. Aufbauend auf den Fähigkeiten der synthetischen Biologie am LLNL, wo das Bakterium Caulobacter crescentus genetisch verändert wurde, um Seltenerdmetalle zu extrahieren und Uranvorkommen zu detektieren, untersuchten die LLNL-Forscher in der neuesten Arbeit die Auswirkungen der Bioprinting-Geometrie auf die mikrobielle Funktion.

In einer Reihe von Experimenten verglichen die Forscher die Rückgewinnung von Seltenerdmetallen in verschiedenen biogedruckten Mustern und zeigten, dass Zellen, die in einem 3D-Gitter gedruckt werden, die Metallionen viel schneller aufnehmen können als bei herkömmlichen Massenhydrogelen. Das Team druckte auch lebende Uransensoren und beobachtete eine erhöhte Blütenz in den hergestellten Bakterien im Vergleich zu Kontrollabzügen.

Neue Harze und komplexere 3D-Gitter stehen im Fokus

LLNL-Forscher arbeiten weiter an der Entwicklung komplexerer 3D-Gitter und der Schaffung neuer Bioresins mit besserer Druck- und biologischer Leistung. Sie evaluieren leitfähige Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren und Hydrogele zum Transport von Elektronen und feedbiogedruckten elektrotrophen Bakterien, um die Produktionseffizienz in mikrobiellen Elektrosyntheseanwendungen zu verbessern. Das Team bestimmt auch, wie die biogedruckte Elektrodengeometrie am besten optimiert werden kann, um den Massentransport von Nährstoffen und Produkten durch das System zu maximieren.

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(Bildquelle: VCG)

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