作為生物催化劑,微生物可以通過全細(xì)胞催化或多細(xì)胞協(xié)作,進(jìn)行能量收集、傳感、修復(fù)和驅(qū)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(xì)胞間協(xié)作方法,由于細(xì)胞間生長速度的不同,易導(dǎo)致微生物此消彼長、效率受損。近日,南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)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(jìn)行融合,實現(xiàn)了對微生物細(xì)胞的空間控制,最大化提高生物過程效率,相關(guān)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(zhì)酸的雙交聯(lián)載體的設(shè)計
“自然界的微生物菌群往往通過互相協(xié)作共生,利用這一特點,我們可以開發(fā)人工多細(xì)胞體系進(jìn)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(xié)作完成工作?”南京工業(yè)大學(xué)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(kuò)大接觸的比表面積,提升生物催化反應(yīng)效率?!?/p>
為了生成可打印的基質(zhì),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(zhì)酸和葫蘆脲為主體構(gòu)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(jìn)行3D打印?!斑@類水凝膠很類似于我們?nèi)粘I钪械难栏?,微生物待在特殊的‘牙膏’里面?D打印裝備可以把‘牙膏’擠出來形成預(yù)先設(shè)計好的結(jié)構(gòu),用于制備細(xì)胞分布均勻和可定位的3D結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有很高的維持性和菌株的固定性?!毖芯勘砻鳎?D晶格中的微生物可以在發(fā)酵和生物修復(fù)過程中保持較高的細(xì)胞活力和代謝活性。
活體材料的3D打印
據(jù)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(shù)總體進(jìn)展處于與國際先進(jìn)水平“并跑”狀態(tài),該研究不僅可以用于強(qiáng)化微生物的生物催化能力,還可以應(yīng)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(xiàn)碳中和提供了一個可選擇的技術(shù)途徑。
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