作為生物催化劑，微生物可以通過(guò)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(dòng)等，具有效率高、條件溫和、選擇性高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的微生物細(xì)胞間協(xié)作方法，由于細(xì)胞間生長(zhǎng)速度的不同，易導(dǎo)致微生物此消彼長(zhǎng)、效率受損。近日，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種控制微生物時(shí)空布局的新策略，該策略通過(guò)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(shí)現(xiàn)了對(duì)微生物細(xì)胞的空間控制，最大化提高生物過(guò)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(jì)

“自然界的微生物菌群往往通過(guò)互相協(xié)作共生，利用這一特點(diǎn)，我們可以開(kāi)發(fā)人工多細(xì)胞體系進(jìn)行生物制造。但是，在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)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(huì)‘互掐’，造成此消彼長(zhǎng)。為了防止這種情況，我們就想能不能給它們建一個(gè)‘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(shí)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(kāi)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(zhǎng)，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(lái)形成預(yù)先設(shè)計(jì)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。”研究表明，3D晶格中的微生物可以在發(fā)酵和生物修復(fù)過(guò)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(xiàng)技術(shù)總體進(jìn)展處于與國(guó)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(shí)現(xiàn)碳中和提供了一個(gè)可選擇的技術(shù)途徑。