Nouvelle méthode développée pour l’impression 3D de microbes vivants afin d’améliorer les biomatériaux

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3D-Printing Microbes To Enhance Biomaterials
Des microbes imprimés en 3D pour améliorer les biomatériaux

Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont suspendu des bactéries dans des bio-résines photosensibles et ont « piégé » les microbes dans des structures 3D à l’aide de la lumière LED de l’appareil stéréolithographique développé par LLNL pour l’imprimante 3D de bioimpression microbienne. La machine de stéréolithographie par projection peut imprimer à haute résolution de l’ordre de 18 microns – presque aussi mince que le diamètre d’une cellule humaine. Crédit : Illustration par Thomas Reason/LLNL

Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont développé une nouvelle méthode pour imprimer en 3D des microbes vivants selon des modèles contrôlés, élargissant le potentiel d’utilisation de bactéries modifiées pour récupérer les métaux des terres rares, nettoyer les eaux usées, détecter l’uranium, etc.

Grâce à une nouvelle technique qui utilise de la lumière et de la résine infusée de bactéries pour produire des microbes à motifs 3D, l’équipe de recherche a réussi à imprimer des biofilms artificiels ressemblant aux fines couches des communautés microbiennes répandues dans le monde réel. L’équipe de recherche a suspendu les bactéries dans des biorésines photosensibles et a « piégé » les microbes dans des structures 3D à l’aide de la lumière LED de l’imprimante 3D Stereolithographic Apparatus for Microbial Bioprinting (SLAM) développée par LLNL. La machine de stéréolithographie par projection peut imprimer à haute résolution de l’ordre de 18 microns – presque aussi mince que le diamètre d’une cellule humaine.

Dans l’article, qui paraît en ligne dans la revue Lettres nano, les chercheurs ont prouvé que la technologie peut être utilisée efficacement pour concevoir des communautés microbiennes structurellement définies. Ils ont démontré l’applicabilité de ces biofilms imprimés en 3D pour les applications de biodétection de l’uranium et de bioexploitation des terres rares et ont montré comment la géométrie influence les performances des matériaux imprimés.

“Nous essayons de repousser les limites de la technologie de culture microbienne 3D”, a déclaré William “Rick” Hynes, chercheur principal et bio-ingénieur du LLNL. « Nous pensons que c’est un espace très peu étudié et son importance n’est pas encore bien comprise. Nous travaillons à développer des outils et des techniques que les chercheurs peuvent utiliser pour mieux étudier le comportement des microbes dans des conditions géométriquement complexes, mais hautement contrôlées. En accédant et en améliorant les approches appliquées avec un meilleur contrôle sur la structure 3D des populations microbiennes, nous serons en mesure d’influencer directement la façon dont elles interagissent les unes avec les autres et d’améliorer les performances du système au sein d’un processus de production de biofabrication.

Bien qu’apparemment simples, Hynes a expliqué que les comportements microbiens sont en réalité extrêmement complexes et sont motivés par les caractéristiques spatio-temporelles de leur environnement, y compris l’organisation géométrique des membres de la communauté microbienne. La façon dont les microbes sont organisés peut affecter une gamme de comportements, tels que comment et quand ils se développent, ce qu’ils mangent, comment ils coopèrent, comment ils se défendent contre leurs concurrents et quelles molécules ils produisent, a déclaré Hynes.

Les méthodes précédentes de production de biofilms en laboratoire ont fourni aux scientifiques peu de contrôle sur l’organisation microbienne au sein du film, limitant la capacité de comprendre pleinement les interactions complexes observées dans les communautés bactériennes du monde naturel, a expliqué Hynes. La capacité de bio-imprimer des microbes en 3D permettra aux scientifiques du LLNL de mieux observer le fonctionnement des bactéries dans leur habitat naturel et d’étudier des technologies telles que l’électrosynthèse microbienne, dans laquelle les bactéries « consommatrices d’électrons » (électrotrophes) convertissent le surplus d’électricité pendant les heures creuses en produire des biocarburants et des produits biochimiques.

Actuellement, l’électrosynthèse microbienne est limitée car l’interfaçage entre les électrodes (généralement des fils ou des surfaces 2D) et les bactéries est inefficace, a ajouté Hynes. En imprimant en 3D des microbes dans des dispositifs combinés à des matériaux conducteurs, les ingénieurs devraient obtenir un biomatériau hautement conducteur avec une interface électrode-microbe considérablement élargie et améliorée, ce qui se traduira par des systèmes d’électrosynthèse beaucoup plus efficaces.

Les biofilms présentent un intérêt croissant pour l’industrie, où ils sont utilisés pour dépolluer les hydrocarbures, récupérer les métaux critiques, retirer les balanes des navires et comme biocapteurs pour une variété de produits chimiques naturels et artificiels. S’appuyant sur les capacités de biologie synthétique du LLNL, où la bactérie Caulobacter croissant a été génétiquement modifié pour extraire des métaux des terres rares et détecter des gisements d’uranium, les chercheurs du LLNL ont exploré l’effet de la géométrie de la bio-impression sur la fonction microbienne dans le dernier article.

Dans une série d’expériences, les chercheurs ont comparé la récupération des métaux des terres rares dans différents modèles bio-imprimés et ont montré que les cellules imprimées dans une grille 3D peuvent absorber les ions métalliques beaucoup plus rapidement que dans les hydrogels en vrac conventionnels. L’équipe a également imprimé des capteurs d’uranium vivant, observant une fluorescence accrue dans les bactéries modifiées par rapport aux impressions de contrôle.

« Le développement de ces biomatériaux efficaces dotés de fonctions microbiennes améliorées et de propriétés de transport de masse a des implications importantes pour de nombreuses bio-applications », a déclaré Yongqin Jiao, co-auteur et microbiologiste du LLNL. « La nouvelle plate-forme de bioimpression améliore non seulement les performances et l’évolutivité du système avec une géométrie optimisée, mais maintient la viabilité des cellules et permet un stockage à long terme. »

Les chercheurs du LLNL continuent de travailler sur le développement de réseaux 3D plus complexes et la création de nouvelles biorésines avec de meilleures performances d’impression et biologiques. Ils évaluent des matériaux conducteurs tels que des nanotubes de carbone et des hydrogels pour transporter des électrons et alimenter des bactéries électrotrophes bio-imprimées afin d’améliorer l’efficacité de la production dans les applications d’électrosynthèse microbienne. L’équipe détermine également comment optimiser au mieux la géométrie des électrodes bio-imprimées pour maximiser le transport de masse des nutriments et des produits à travers le système.

“Nous commençons tout juste à comprendre comment la structure régit le comportement microbien et cette technologie est un pas dans cette direction”, a déclaré Monica Moya, bio-ingénieure et co-auteure du LLNL. « Manipuler à la fois les microbes et leur environnement physicochimique pour permettre une fonction plus sophistiquée a une gamme d’applications qui incluent la bioproduction, la remédiation, la biodétection/détection et même le développement de matériaux vivants modifiés – des matériaux qui sont modelés de manière autonome et peuvent s’auto-réparer ou détecter/répondre à leur environnement.

Référence : « Projection Microstereolithographic Microbial Bioprinting for Engineered Biofilms » par Karen Dubbin, Ziye Dong, Dan M. Park, Javier Alvarado, Jimmy Su, Elisa Wasson, Claire Robertson, Julie Jackson, Arpita Bose, Monica L. Moya, Yongqin Jiao et William F. Hynes, le 28 janvier 2021, Lettres nano.
DOI : 10.1021/acs.nanolett.0c04100

Le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire a financé la recherche.

Les co-auteurs incluent les scientifiques et ingénieurs du LLNL Karen Dubbin, Ziye Dong, Dan Park, Javier Alvarado, Jimmy Su, Elisa Wasson, Claire Robertson et Julie Jackson, ainsi qu’Arpita Bose de l’Université de Washington à St. Louis.

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