Эти чернила живые и полностью состоят из микробов

Мысль об объединении принтера (бич офисных работников) с бактерией E. coli (бич салата ромэн) может показаться странным, если не сказать неприятным, сотрудничеством.

Но недавно ученые объединили достоинства раздражающего инструмента и токсичного микроба и создали живые чернила, полностью состоящие из микробов. Микробные чернила текут, как зубная паста под давлением, и могут быть отпечатаны на 3D-принтере в различные крошечные формы - круг, квадрат и конус - все они держат форму и блестят, как желе.

Исследователи описали рецепт своих программируемых микробных чернил в исследовании, опубликованном во вторник в журнале Nature Communications. Материал все еще находится в стадии разработки, но авторы предполагают, что чернила могут стать важнейшим возобновляемым строительным материалом, способным расти и заживать самостоятельно и идеально подходящим для строительства экологичных домов на Земле и в космосе.

Это новое вещество - не первые в истории живые чернила. Ранее ученые уже создавали печатные гели, которые представляли собой коктейли из бактерий и полимеров, обеспечивающих структуру при печати. Одна из таких красок содержала гиалуроновую кислоту, экстракт морских водорослей и кремнезем - все вещества, которые делали материал более густым и вязким.

Но новое вещество не содержит никаких дополнительных полимеров; оно производится исключительно из генетически модифицированных бактерий кишечной палочки. Исследователи вызывают культуры бактерий для выращивания чернил, которые также состоят из живых клеток бактерий. Когда чернила собирают из жидкой культуры, они становятся твердыми, как желатин, и их можно подключать к 3D-принтерам и печатать живые структуры, которые не растут дальше и остаются в напечатанном виде.

"Они разработали действительно хорошую инженерную платформу, в которой микробы выделяют собственные чернила", - сказал Суджит Датта, инженер-химик и биолог из Принстонского университета, который не принимал участия в исследовании. "Микробы сами создают материал - вам нужно только кормить их и поддерживать в хорошем состоянии".

Бактерии могут показаться нетрадиционным строительным материалом. Но микробы являются важнейшим компонентом таких продуктов, как духи и витамины, и ученые уже создали микробов для производства биоразлагаемых пластмасс.

По словам Нила Джоши, биолога-синтетика из Северо-Восточного университета и одного из авторов новой статьи, у такого материала, как микробные чернила, более грандиозные амбиции. Такие чернила - это расширяющееся направление в области инженерных живых материалов. В отличие от конструкций, отлитых из бетона или пластика, живые системы будут автономными, адаптивными к сигналам окружающей среды и способными к регенерации - по крайней мере, такова желаемая цель, говорит доктор Джоши.

"Представьте себе создание зданий, которые исцеляют сами себя", - говорит д-р Датта.

По мнению доктора Джоши, лучшей аналогией может быть превращение семени в дерево. У семени есть вся необходимая информация, чтобы собрать энергию солнца и организовать свой рост и развитие в нечто сложное и грандиозное, как дерево. В сконструированной живой системе одна клетка может функционировать как семя.

Микробы сами по себе не умеют создавать четко определенные формы в трех измерениях. "Подумайте о прудовых отбросах", - говорит доктор Джоши. "Это как раз тот уровень сложности, который удобен для бактерий в плане создания форм".

Как правило, микробные чернила используют полимеры для придания жесткости своим формам. Но полимеры имеют свои ограничения и могут изменять механические свойства чернил нежелательным образом, сказал доктор Датта. Кроме того, полимеры должны быть биосовместимыми, чтобы микробы не погибли. А синтетические полимеры, такие как полиэтилен, получают из нефти и не подлежат возобновлению.

Отказ от полимеров и использование только микробов "дает гораздо больше возможностей для настройки того, что можно печатать", - сказал Р. Конан Бэй, физик мягкой материи и будущий доцент Университета Колорадо в Боулдере, который не принимал участия в исследовании.

Многие созданные живые материалы имеют форму гидрогелей - структур, способных поглощать большое количество воды, как желатин. В 2018 году доктор Джоши и Анна Дурадж-Татте, инженер из Вирджинского технологического института и автор новой статьи, успешно создали гидрогель полностью из кишечной палочки, который мог расти и регенерировать.

Хотя гидрогель можно было выдавить через шприц, он не был достаточно жестким, чтобы стоять самостоятельно. "Вы не могли создать никаких структур", - говорит доктор Дурадж-Татте.

Исследователям нужно было укрепить вещество. "Мы придумали эту стратегию, в которой мы используем фибрин - полимер, используемый для свертывания крови у людей и многих других животных", - сказал член команды Авинаш Манджула-Басаванна, который выполнил эту работу, будучи научным сотрудником Гарвардского университета.

Исследователи генетически сконструировали кишечную палочку для производства белкового полимера из фибрина, созданного для соединения в сетчатую сеть - представьте себе грузовую сетку для тяжелых грузов. Это делает материал достаточно жестким для печати и в то же время способным вытекать из сопла 3-D принтера.

Авторы взяли свои микробные чернила для 3-D принтеров в лаборатории Ю Шрайк Чжан, биоинженера Гарвардской медицинской школы, который часто использует принтеры для тканевой инженерии клеток млекопитающих. Эта лаборатория была одной из немногих достаточно смелых, чтобы пригласить бактерии в свое санитарное помещение для печати.

"Лаборатория, которая занимается только тканевой инженерией с использованием клеток млекопитающих, поостереглась бы подпускать к себе бактерии", - говорит доктор Джоши.

"Это лаборатория, которая будет пробовать самые разные вещи", - говорит доктор Дурадж-Татте.

Исследователи напечатали микробные чернила в виде нескольких форм и узоров, чтобы проверить их способность держать форму: решетка, коробка, кольцо и конус, который выглядел почти как сосулька. Чернила выдавливались из принтера, как зубная паста, но не сочились и не таяли после печати, пройдя все тесты.

Они также подвергли чернила испытанию на верность, чтобы узнать, насколько далеко нить чернил может растянуться, не порвавшись. В ходе испытания сопло принтера выдавливало нить чернил толщиной в полмиллиметра через линию последовательных столбов, каждый из которых находился на большем расстоянии от предыдущего, чтобы показать, как далеко между столбами может протянуться нить чернил без разрыва.

Нить могла выдержать собственный вес между столбами, находящимися на расстоянии 16 миллиметров друг от друга: успех. По их словам, когда доктор Дурадж-Татте и доктор Манджула-Басаванна записали тест в реальном времени в лаборатории, они начали кричать от восторга, услышав, что чернила работают. (Видео, сопровождающее опубликованное исследование, не содержит аудиозаписи).

Чтобы проверить, могут ли напечатанные структуры выполнять свои функции, д-р Дурадж-Татте и д-р Манджула-Басаванна также смешали чернила с другими микробами, которые были созданы для выполнения определенных задач. В одном терапевтическом тесте напечатанные чернила выпустили противораковый препарат азурин при воздействии химического вещества. В другом тесте печатные чернила успешно задерживали токсичный химикат BPA, что говорит о том, что материал может потенциально удалять вредные загрязняющие вещества из окружающей среды.

Над чернилами еще нужно поработать. Они не выдерживают высыхания и недостаточно стабильны, чтобы стать основой для более крупных конструкций, таких как дом, пригодный для жизни человека; исследователи работают над созданием более прочных печатных структур. Однако исследователи не видят ограничений для возможного применения этого материала в будущем.

Доктор Дурадж-Татте надеется, что чернила будут использоваться в тканевой инженерии, так как их можно будет приспособить для медицинских целей. Д-р Джоши предположил, что чернила могут в конечном итоге предложить более экологичный и возобновляемый способ строительства зданий. Доктор Бэй задается вопросом, можно ли создать чернила из других бактерий, таких как Pseudomonas putida, которые могут очищать токсин фенол. "Мы можем подумать о том, чтобы сделать из них биосенсоры", - предположил доктор Бэй.

Доктор Манджула-Басаванна стремится на Луну, спутник Земли, где нет лесов для заготовки древесины и нет удобного способа отправки сыпучих строительных материалов. Там, по его словам, чернила могут быть использованы в качестве самовосстанавливающегося вещества, которое поможет построить среду обитания на других планетах, а также на Земле.

"Предстоит проделать большую работу, чтобы сделать ее масштабируемой и экономически выгодной", - признал д-р Датта. Но, отметил он, всего пять лет назад создание прочных структур из микробов было немыслимо; возможно, самовосстанавливающиеся здания могут стать реальностью уже при нашей жизни.

"Трудно прогнозировать будущее", - сказал доктор Датта. "Но, учитывая темпы развития этой области, будущее выглядит очень радужным".