Synthetische Biologie und 3D-Druck zur Herstellung künstlicher lebender Materialien

Der 3D-Druck hat sich als vielseitige Technologie erwiesen, die ihre Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen, von der Fertigung bis zur Medizin, erweitert. Er ist zu einem unverzichtbaren Werkzeug für viele Branchen geworden, da er die individuelle Gestaltung von Produkten und die Schaffung komplexer und einzigartiger Strukturen aus einer breiten Palette von Materialien ermöglicht. Forscher auf der ganzen Welt haben sich diese Vorteile zunutze gemacht und Methoden wie das Bioprinting entwickelt, die die Landschaft des Bereichs, in dem sie angewendet werden, völlig verändern. Kürzlich veröffentlichte ein Forscherteam in der American Chemical Society einen Artikel, in dem es eine neue Methode des Bioprinting vorstellte, bei der Tinten mit genetisch veränderten Pflanzenzellen zur Herstellung lebender Materialien verwendet werden.

Bis vor kurzem wurde die Entwicklung von lebenden Materialien aus Pflanzenzellen vor allem durch die Einfachheit der Struktur der Materialien behindert, was ihre Funktionalität einschränkte. Forscher hatten bereits lebende Materialien aus Bakterien- und Pilzzellen entwickelt, aber die Ambitionen der Forscher gingen noch weiter. Die heute vorgestellte Studie erweist sich als ein Durchbruch bei der Überwindung dieser Hürde. Das Team unter der Leitung der Wissenschaftler Ziyi Yu und Zhengao Di schuf lebende Pflanzenmaterialien, die modifizierte Pflanzenzellen mit anpassbaren Verhaltensweisen und Fähigkeiten enthalten. Ein Durchbruch, den der 3D-Druck ermöglicht hat.

Um dies zu erreichen, arbeiteten die Forscher an einer Bio-Tinte, die Pflanzenzellen und Bakterien enthält. Genauer gesagt bestand die Tinte aus Tabakpflanzenzellen und Gelatine- und Hydrogel-Mikropartikeln, die wiederum ein Bakterium enthielten, das die Übertragung von DNA-Abschnitten auf Pflanzengenome erleichtert (Agrobacterium tumefaciens). Diese Biotinte wurde verwendet, um verschiedene Formen wie Gitter, Schneeflocken, Blätter oder Spiralen für die Analyse in 3D zu drucken. Sie verwendeten einen dreiachsigen 3D-Biodrucker mit Extrusionstechnologie, und die Formen wurden mit blauem Licht ausgehärtet, um ihre Struktur zu verstärken. Nach 48 Stunden hatten die Bakterien in den konstruierten lebenden Materialien bereits DNA auf die wachsenden Tabakzellen übertragen. Ein Beispiel ist ein blattförmiger Druck, der nach 24 Stunden die von den veränderten Pflanzenzellen erzeugten Farben aufwies. Sie beobachteten auch, dass die Pflanzenzellen nach einigen Wochen in den lebenden Materialien weiter wuchsen und sich vermehrten und Proteine produzierten, die von der übertragenen DNA diktiert wurden.

Die Studie bestätigt diese Theorie. Die übertragene DNA ermöglichte es den Tabakpflanzenzellen, grün fluoreszierende Proteine und Pflanzenpigmente zu produzieren, die als natürliche Farbstoffe und Nahrungsergänzungsmittel geschätzt werden. Mit dem 3D-Druck dieses künstlichen lebenden Materials konnten die Forscher zeigen, dass ihre Technik in der Lage ist, komplexe Strukturen zu schaffen, die Abmessungen der Drucke und ihr Wachstum sowie ihre Funktionen zu kontrollieren. Dem Team zufolge sind die Eigenschaften lebender Organismen und die Stabilität und Haltbarkeit nicht lebender Substanzen (Hydrogel) eine perfekte Kombination, die ein großes Potenzial für die Herstellung pharmazeutischer Proteine und sogar für die Anwendung dieses künstlichen lebenden Materials im nachhaltigen Bauwesen bietet.

Diese neue Methode, die Techniken aus der Biologie und dem Ingenieurwesen kombiniert, erweitert die Grenzen der Materialwissenschaft. In ihrer Schlussfolgerung erklärten die Forscher: „Durch die Verwendung von BY-2-Tabakzellen in Kombination mit biokompatiblen Hydrogel-Mikropartikeln zeigt diese Studie das bemerkenswerte Potenzial von 3D-Bioprinting-Technologien zur Herstellung biokompatibler, strukturell vielfältiger und dynamischer EPLMs. […] Diese Fortschritte stellen einen großen Fortschritt in der Entwicklung von selbsterhaltenden, reaktionsfähigen und anpassbaren lebenden Materialien dar, die ein breites Anwendungsspektrum von nachhaltigem Bauen bis hin zu fortschrittlicher Bioproduktion haben und neue Möglichkeiten für zukünftige technologische und ökologische Lösungen eröffnen“. Weitere Informationen über seine Forschung finden Sie auf der Website der American Chemical Society HIER.

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*Bildnachweise: American Chemical Society