Die Verbindung von synthetischer Biologie und 3D-Druck führt zu programmierbaren lebenden Materialien

Zu den Anwendungen könnten eines Tages die Bioproduktion und das nachhaltige Bauen gehören

03.05.2024

Wissenschaftler machen sich Zellen zunutze, um neue Arten von Materialien herzustellen, die wachsen, sich selbst reparieren und sogar auf ihre Umgebung reagieren können. Diese soliden "künstlichen lebenden Materialien" werden hergestellt, indem Zellen in eine unbelebte Matrix eingebettet werden, die in die gewünschte Form gebracht wird. Jetzt berichten Forscher in ACS Central Science , dass sie eine Biotinte mit Pflanzenzellen in 3D gedruckt haben, die anschließend genetisch verändert wurden, um programmierbare Materialien herzustellen. Die Anwendungen könnten eines Tages die Bioproduktion und das nachhaltige Bauen umfassen.

In letzter Zeit haben Forscher lebende Werkstoffe entwickelt, wobei sie sich vor allem auf Bakterien- und Pilzzellen als lebende Komponente stützten. Doch die einzigartigen Eigenschaften von Pflanzenzellen haben die Begeisterung für ihre Verwendung in künstlichen lebenden Pflanzenmaterialien (EPLM) geweckt. Die bisher hergestellten Materialien auf der Basis von Pflanzenzellen hatten jedoch recht einfache Strukturen und eine begrenzte Funktionalität. Ziyi Yu, Zhengao Di und Kollegen wollten dies ändern, indem sie kompliziert geformte EPLMs herstellten, die gentechnisch veränderte Pflanzenzellen mit anpassbaren Verhaltensweisen und Fähigkeiten enthielten.

Die Forscher mischten Tabakpflanzenzellen mit Gelatine und Hydrogel-Mikropartikeln, die Agrobacterium tumefaciens enthielten, ein Bakterium, das üblicherweise zum Transfer von DNA-Segmenten in Pflanzengenome verwendet wird. Diese Bioink-Mischung wurde dann auf einer flachen Platte oder in einem mit einem anderen Gel gefüllten Behälter in 3D gedruckt, um Formen wie Gitter, Schneeflocken, Blätter und Spiralen zu bilden. Anschließend wurde das Hydrogel in den gedruckten Materialien mit blauem Licht gehärtet, wodurch die Strukturen aushärteten. In den darauf folgenden 48 Stunden übertrugen die Bakterien in den EPLMs DNA auf die wachsenden Tabakzellen. Die Materialien wurden dann mit Antibiotika gewaschen, um die Bakterien abzutöten. In den folgenden Wochen, als die Pflanzenzellen in den EPLMs wuchsen und sich vermehrten, begannen sie, Proteine zu produzieren, die durch die übertragene DNA vorgegeben waren.

In dieser Proof-of-Concept-Studie ermöglichte die übertragene DNA den Tabakpflanzenzellen die Produktion von grün fluoreszierenden Proteinen oder Betalinen - roten oder gelben Pflanzenpigmenten, die als natürliche Farbstoffe und Nahrungsergänzungsmittel geschätzt werden. Indem sie ein blattförmiges EPLM mit zwei verschiedenen Biotinten druckten - eine davon erzeugte ein rotes Pigment entlang der Adern und die andere ein gelbes Pigment im Rest des Blattes - zeigten die Forscher, dass ihre Technik komplexe, räumlich kontrollierte und multifunktionale Strukturen erzeugen kann. Solche EPLMs, die die Eigenschaften lebender Organismen mit der Stabilität und Haltbarkeit nicht lebender Substanzen kombinieren, könnten als zelluläre Fabriken zur Herstellung von Pflanzenmetaboliten oder pharmazeutischen Proteinen oder sogar in nachhaltigen Bauanwendungen eingesetzt werden, so die Forscher.

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Originalveröffentlichung

Yujie Wang, Zhengao Di, Minglang Qin, Shenming Qu, Wenbo Zhong, Lingfeng Yuan, Jing Zhang, Julian M. Hibberd, Ziyi Yu; "Advancing Engineered Plant Living Materials through Tobacco BY-2 Cell Growth and Transfection within Tailored Granular Hydrogel Scaffolds"; ACS Central Science, 2024-5-1

https://www.chemie.de/news/1183367/die-verbindung-von-synthetischer-biologie-und-3d-druck-fuehrt-zu-programmierbaren-lebenden-materialien.html