RAPORT

Wojna na Ukrainie

Żywy „atrament” do drukarki 3D

Dla inżynierii tkankowej buduje się eksperymentalnie takie szkielety narządów (fot. Shutterstock/everytime)
Dla inżynierii tkankowej buduje się eksperymentalnie takie szkielety narządów (fot. Shutterstock/everytime)

W 1828 roku Friedrich Wöhler zsyntetyzował mocznik przez ogrzewanie cyjanu amonu. Czyli związek jak najbardziej organiczny i znajdowany wyłącznie w organizmach żywych udało mu się zrobić „w probówce” z zupełnie nieorganicznych substratów. Tak upadł witalizm, jako koncepcja, wg której życie to jakiś fenomen wymagający tajemniczych specjalnych „życiowych sił” i że nigdy nie da się zrobić związku właściwego „bytom ożywionym” z nieożywionej materii. Kto by przypuszczał, że już niespełna 200 lat później będziemy żyć w epoce „żywych tworzyw” (ang. living materials)?

Jedzenie z drukarki 3D pomoże oszczędzać żywność

Foodini to opracowana przez firmę z Barcelony trójwymiarowa drukarka, w której powstają potrawy nie do wytworzenia ręcznie. Producent zapewnia, że...

zobacz więcej

Czyli nie tylko będziemy sobie dość dowolnie syntetyzować w dużych ilościach różne związki znane nam w naturze jedynie z organizmów żywych, włączając w to oczywiście stanowiące „przepis na życie” kwasy nukleinowe. Dziś bowiem na łamach „Nature Communications” uczeni z Harvardu, z instytutów o niemal baśniowo brzmiących nazwach „Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering”, czyli „inżynierii inspirowanej biologicznie” opowiadają o „żywym atramencie do drukarek 3D”. Czyli biologicznej substancji dającej się formować w dowolne zaprojektowane kształty.

Jak tłumaczą sami autorzy tej pracy, „żywe komórki mają zdolność syntetyzowania składników molekularnych i precyzyjnego składania ich w nanoskali w celu budowania makroskopowych żywych konstrukcji funkcjonalnych w warunkach otoczenia. Powstająca dziedzina żywych materiałów wykorzystała inżynierię mikrobiologiczną do produkcji materiałów do różnych zastosowań, ale budowanie struktur 3D o dowolnych wzorach i kształtach było poważnym wyzwaniem”.

Co da się trójwymiarowo „bio-wydrukować”? Dla inżynierii tkankowej buduje się eksperymentalnie takie szkielety narządów, chętnie zasiedlane przez macierzyste komórki ssacze stosownych linii, stanowiące podstawę rozwoju konkretnych narządów. Dziś jednak poszukuje się rozwiązań do drukowania komórek drobnoustrojów do zastosowań biotechnologicznych i biomedycznych. Ma tu niemałe znaczenie, że choć bakterie czy drożdże uchodzą za organizmy jednokomórkowe, w istocie bardzo często tworzą w swoim środowisku trójwymiarowe struktury zwane biofilmem.

Jest on dla nas na ogół szkodliwy, o ile np. rozwinie się wewnątrz naszego ucha środkowego czy jakiejś plastikowej rurki, którą jako pacjent musimy mieć włożoną, a to tracheostomijnej, a to cewnika etc. Swoje istnienie zawdzięcza on zdolności bakterii do produkcji pewnych substancji zdolnych tworzyć rusztowanie takich trójwymiarowych bakteryjnych konstrukcji.

Zobacz także: Pierwszy na świecie most wykonany ze stali, który został wydrukowany w technologii 3D


Na warsztatach zaprojektowali i wydrukowali dłoń dla Kuby [WIDEO]

zobacz więcej

Uczeni z Harvardu natomiast postanowili opracować bio-atrament w całości wytwarzany z genetycznie zmodyfikowanych komórek pałeczki okrężnicy Escherichia coli. Bakteria została tak zmieniona, by wykonywać cząsteczki (monomery) zdolne do oddolnej nano-samoorganizacji w polimery w formie nanowłókien. Te zaś potrafią same organizować się w uporządkowane sieci, które układają się wytłaczalne hydrożele. Nic tylko załadować do drukarki 3D.

Jak znowu piszą pomysłodawcy tego cudownego materiału, ów po uformowaniu „może sekwestrować toksyczne związki, uwalniać substancje biologiczne i regulować wzrost własnych komórek poprzez indukcję chemiczną racjonalnie zaprojektowanego materiału genetycznego”. Takie bio-atramenty do drukarek 3D istniały wcześniej, jednak dotąd korzystały z różnych chemicznych substancji (np. alginianu, kwasu hialuronowego, κ-karagenu, zmatowionej krzemionki czy akrylanu Pluronic, nanocelulozy, dimetakrylanu glikolu polietylenowego), z osadzonymi w nich lub na nich bakteriami czy drożdżami piekarskimi. Dziś natomiast zrobiono metodami inżynierii genetycznej bakterię, która de facto wytwarza biofilm taki, jaki sobie zażyczyli inżynierowie, nie dlatego, że umieszczono ja w jakimś związku chemicznym specjalnym. Tylko dlatego, że sama go robi, bo tak została przez człowieka zaprogramowana w laboratorium. Potem bakterie się odfiltruje (zrobiła swoje, to może odejść) i sam biopolimer się wykorzysta wedle uznania.

Twoje INFO - kontakt z TVP INFO
Rzecz cała – ów tajemniczy biopolimer, to dwa bliźniacze białka zwane w skrócie CsgA, każde z nich wyposażone w niewielką końcówkę, nazwijmy je alfa bądź gamma. Mamy zatem dwie populacje komórek E. coli hodowane razem. Jedna produkuje CsgA-alfa, a druga CsgA-gamma. Alfa pasuje do gammy przestrzennie, zatem, gdy znajdują się naprzeciw siebie, łączą się. Sprawia to, że cała konstrukcja przypomina zamek błyskawiczny, który pięknie się zapina rosnąc od dołu ku górze. Struktura ta i połączenia są wzorowane na wytwarzanym przez kręgowce fibrynogenie (monomer), z którego powstaje sieć fibryny (polimer), który pomaga nam goić rany i łatać dziury w naszym ciele.

Pistolety z drukarek 3D. Policja zlikwidowała produkcję

Policja odkryła w okolicach Rotterdamu w centralnej Holandii warsztat służący do produkcji broni. Znaleziono tam dziewięć drukarek 3D, przy pomocy...

zobacz więcej

Rzecz była obserwowana już od kilku lat. Bowiem gen csgA koduje Curli, amyloid tworzący biofilm, który ulega ekspresji na powierzchni Gram-ujemnych bakterii jelitowych, takich jak Escherichia coli i Salmonella spp. Curli składa się z głównej podjednostki strukturalnej CsgA i oddziałuje z szeroką gamą białek ludzkich, co przyczynia się do zjadliwości bakterii. Okazało się, że gdy do Curli dodać fibrynogenu, to biofilm nie powstanie. Bo fibrynogen odbierze część CsgA do tego niezbędną i sam się z nią zwiąże. Zatem te dwa monomery, choć nie są do siebie podobne molekularnie, jednak w działaniu są się nawzajem w stanie zastępować. Potrzeba było tylko pewnych modyfikacji inżynierów genetycznych, żeby Curli robiło to, co mu się każe, w porządku niczym fibrynogen.

Autorzy eksperymentów stwierdzają również, że technika ta mogłaby zostać wykorzystana w przyszłości do drukowania odnawialnych materiałów budowlanych, które nie tylko rosłyby, ale mogłyby się samonaprawiać. Daje to szansę budowania samowystarczalnych domów tutaj na Ziemi, na Księżycu lub na Marsie.

W połowie sierpnia tego roku z kolei naukowcy z Imperial College London stworzyli trójwymiarowe „klocki”, które mogą same się naprawiać, czy raczej trzeba powiedzieć: zabliźniać – w odpowiedzi na uszkodzenia. Zmodyfikowane żywe materiały (ang. engineered living materials; ELM) wykorzystują zdolność żywych organizmów do leczenia i uzupełniania materiału biologicznego oraz mogą reagować na uszkodzenia w trudnych warunkach za pomocą systemu wykrywania i reagowania.

Zobacz także: Cząstki emitowane przez drukarki 3D szkodzą zdrowiu


Ta praca też była opublikowana w „Nature Communications” i może doprowadzić do stworzenia materiałów ze świata rzeczywistego, które wykrywają i „leczą” własne uszkodzenia. Takie, jak chociażby naprawianie pęknięcia w przedniej szybie, rozdarcie kadłuba samolotu lub wybój na drodze. Integrując elementy budulcowe z samonaprawiającymi się materiałami budowlanymi, naukowcy mogliby zmniejszyć ilość potrzebnych prac konserwacyjnych oraz przedłużyć żywotność i użyteczność materiału.

Zobacz także: Pobierz aplikację mobilną i oglądaj TVP INFO na żywo

Niespełna 200 lat temu udowodniono, że nie ma żadnych tajemniczych „sił życiowych”, bo zsyntetyzowano mocznik. Dziś bakterie będą dla nas robić samonaprawiające się tworzywa, dające się trójwymiarowo formować w dowolne kształty.

Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne
źródło:
Zobacz więcej