作為生物催化劑，微生物可以通過全細胞催化或多細胞協作，進行能量收集、傳感、修復和驅動等，具有效率高、條件溫和、選擇性高等特點。傳統(tǒng)的微生物細胞間協作方法，由于細胞間生長速度的不同，易導致微生物此消彼長、效率受損。近日，南京工業(yè)大學材料化學工程國家重點實驗室開發(fā)了一種控制微生物時空布局的新策略，該策略通過制備新型的超分子水凝膠材料作為載體，利用3D打印的方式將微生物與其進行融合，實現了對微生物細胞的空間控制，最大化提高生物過程效率，相關成果發(fā)表在納米材料知名期刊《Small》上。
基于功能化的透明質酸的雙交聯載體的設計
“自然界的微生物菌群往往通過互相協作共生，利用這一特點，我們可以開發(fā)人工多細胞體系進行生物制造。但是，在實驗室的實際情況中，如果僅僅將這兩種微生物生硬地放在一起，它們會‘互掐’，造成此消彼長。為了防止這種情況，我們就想能不能給它們建一個‘房子’，讓它們‘安分’地待在自己的‘房間’，還能相互協作完成工作？”南京工業(yè)大學教授余子夷教授介紹道，課題組想到了3D打印的方法，“3D打印可以將它們安放在固定的位置，同時3D打印還能擴大接觸的比表面積，提升生物催化反應效率。”
為了生成可打印的基質，課題組開發(fā)了一種新型的超分子水凝膠材料，這種材料由功能化的透明質酸和葫蘆脲為主體構成。超分子水凝膠材料不僅適合于微生物固定和生長，而且還可以用作生物墨水進行3D打印。“這類水凝膠很類似于我們日常生活中的牙膏，微生物待在特殊的‘牙膏’里面，3D打印裝備可以把‘牙膏’擠出來形成預先設計好的結構，用于制備細胞分布均勻和可定位的3D結構，該結構具有很高的維持性和菌株的固定性。”研究表明，3D晶格中的微生物可以在發(fā)酵和生物修復過程中保持較高的細胞活力和代謝活性。
活體材料的3D打印
據悉，該活體材料的催化效率與使用單一微生物、單純混合二者相比，分別提高了80%和50%。此項技術總體進展處于與國際先進水平“并跑”狀態(tài)，該研究不僅可以用于強化微生物的生物催化能力，還可以應用于菌-藻共生體系吸收二氧化碳提高微生物的固碳水平，為采用綠色生物制造實現碳中和提供了一個可選擇的技術途徑。
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