Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont mis au point une nouvelle méthode d'impression 3D de microbes vivants selon des motifs contrôlés, élargir le potentiel d'utilisation de bactéries modifiées pour récupérer les métaux des terres rares, eaux usées propres, détecter l'uranium et plus encore.

Grâce à une nouvelle technique qui utilise de la lumière et de la résine infusée de bactéries pour produire des microbes à motifs en 3D, l'équipe de recherche a réussi à imprimer des biofilms artificiels ressemblant aux couches minces 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 fine que le diamètre d'une cellule humaine.

Dans le journal, 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 bioextraction de 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 en 3D, " a déclaré le chercheur principal et bio-ingénieur du LLNL William "Rick" Hynes. "Nous pensons que c'est un espace très sous-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 environnements géométriquement complexes, conditions pourtant très contrôlées. En accédant et en améliorant les approches appliquées avec un meilleur contrôle sur la structure 3-D des populations microbiennes, nous serons en mesure d'influencer directement la façon dont ils interagissent les uns avec les autres et d'améliorer les performances du système au sein d'un processus de production de biofabrication."

Bien qu'apparemment simple, Hynes a expliqué que les comportements microbiens sont en fait extrêmement complexes, et sont guidés 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, comme comment et quand ils grandissent, ce qu'ils mangent, comment ils coopèrent, comment ils se défendent contre leurs concurrents et quelles molécules ils produisent, dit Hynes.

Les méthodes antérieures de production de biofilms en laboratoire ont fourni aux scientifiques peu de contrôle sur l'organisation microbienne au sein du film, limiter la capacité de comprendre pleinement les interactions complexes observées dans les communautés bactériennes du monde naturel, expliqua 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 étudier des technologies telles que l'électrosynthèse microbienne, dans lequel les bactéries « mangeuses d'électrons » (électrotrophes) convertissent le surplus d'électricité pendant les heures creuses pour 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 2-D) et les bactéries est inefficace, Hynes ajouté. En imprimant en 3D des microbes dans des appareils combinés à des matériaux conducteurs, les ingénieurs devraient réaliser un biomatériau hautement conducteur avec une interface électrode-microbe considérablement élargie et améliorée, résultant en des systèmes d'électrosynthèse beaucoup plus efficaces.

Les biofilms intéressent de plus en plus l'industrie, lorsqu'ils sont utilisés pour dépolluer des 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 crescentus a été génétiquement modifiée pour extraire les métaux des terres rares et détecter les 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 vivants, observant une fluorescence accrue dans les bactéries modifiées par rapport aux empreintes de contrôle.

"Le développement de ces biomatériaux efficaces avec des fonctions microbiennes améliorées et des propriétés de transport de masse a des implications importantes pour de nombreuses bio-applications, " a déclaré le co-auteur et microbiologiste du LLNL Yongqin Jiao. " La nouvelle plate-forme de bio-impression 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 au développement de réseaux 3D plus complexes et à 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-ingénieur et co-auteur du LLNL. " La manipulation à la fois des microbes et de leur environnement physicochimique pour permettre une fonction plus sophistiquée a une gamme d'applications qui incluent la biofabrication, 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."