美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究团队开发了一种新方法，可以在受控模式下3D打印微生物。这使得工程菌在回收稀土金属、清洁废水、检测铀元素等方面的应用潜力大幅提升。相关论文在《纳米简讯》上发表。
LLNL的研究人员在这篇论文中探讨了生物打印几何结构对微生物功能的影响，他们将新月形茎杆菌（Caulobacter crescentus）进行基因改造，使其能够提取稀土金属并检测铀矿床。通过新技术，研究人员成功打印出了类似自然界中微生物群落薄层的人工生物膜。他们将细菌悬浮在光敏生物素中，利用微生物立体光刻（SLAM）3D打印机的LED光源将微生物“捕获”在3D结构中。该生物打印机能以18微米左右的高分辨率打印，几乎相当于人体细胞的直径。
在一组实验中，他们比较了不同生物打印膜中稀土金属的回收率，结果显示，打印在3D网格中的细胞比传统的大块水凝胶的金属离子吸收速度快得多。研究小组还打印了微生物铀传感器，与对照组相比，3D打印菌的荧光效应显著增强。
首席研究员兼LLNL生物工程师Hynes说：“加强对微生物种群3D结构的控制，我们将能直接改变它们之间的相互作用，并在生物制造生产过程中提高系统性能。”这听起来似乎很简单，但实际上，微生物行为不仅及其复杂，还由其所处环境的时空特征驱动（如：微生物群落的几何结构）。其排列组合方式影响的行为包括：如何生长、何时生长、以何为食、如何合作、如何抵御竞争对手以及产生什么分子等等。
以传统方法生产生物膜时，科学家对膜内微生物组织几乎没有控制能力，这阻碍了他们对微生物相互作用的深入了解。而微生物3D打印技术不仅有助于加深理解，还能帮助他们探索微生物电合成（即“食电”细菌在非高峰时间将多余电能转化为生物燃料和生化物质）等技术。Hynes补充道，由于电极和细菌之间的连接效率很低，当前微生物电合成技术相对受限。将微生物3D打印与导电材料结合，工程师们便可获得高导电性生物材料，其电极-微生物连接效率大幅上升，将产生更高效的电合成系统。
论文合著者微生物学家Yongqin Jiao表示：“这种新颖的生物打印平台不仅通过优化的空间结构提高了微生物膜系统性能和可扩展性，而且保持了细胞活力并实现了长期存储。”
LLNL生物工程师兼合著者Monica Moya补充道：“我们才刚刚开始了解空间结构是如何控制微生物行为的，这项技术就是向前迈出的一步。我们希望能更好地操控微生物及其理化环境，以实现更复杂的微生物功能。这项技术的应用范围很广，包括生物制造、修复、生物传感/检测，我们甚至能用它开发可以自我修复或感知/响应环境的工程材料。”
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