遺伝子組み換えバクテリアによる生きたタトゥー:新しいバイオプリンティングのイノベーション

• 研究者らは、皮膚細胞と接触すると光る、細胞に敏感な薄いタトゥーを作成しました。 
• タトゥー インクはハイドロゲルと、細胞を生かしておくための栄養素の混合物でできています。
• インクは約 30 マイクロメートルの高解像度で印刷できます。
• 3D プリントされたリビング タトゥーには 3 つの異なるセンサーが搭載されており、圧縮、伸長、ねじれに耐えることができます。

MITの研究者らは、遺伝的にプログラムされた生きた細胞から作られた特別な種類のインクを使用する新しい方法を発見した。彼らは一時的なタトゥーを考案しました。そのプロトタイプは、木の形の模様が付いた薄くて透明な貼り付けパッチのように見えます。

それは、異なる化合物に対して細胞が敏感ないくつかのセクションに分かれています。このタトゥーが皮膚に接触すると、特定の化合物（人間の皮膚に存在する）にさらされ、それに反応して木の対応する領域が発光します。

これは、細胞がさまざまな種類の刺激に反応して光るように設計されているために起こります。栄養素と水素のスラリーと組み合わせると、細胞を層ごとに印刷して、3D インタラクティブな構造を形成できます。

同じ分野の以前の研究

刺激に応答する素材は新しいものではありません。研究開発は 10 年以上にわたって行われてきました。たとえば、化学物質によく反応する材料を使用して化学センサーを作成したり、高温に反応する材料を使用して自己組み立てロボットを開発したりできます。

3D プリントは現在広く利用可能であり、はるかに安価な価格で利用できるため、刺激応答性材料を含む実験対象物を開発するための一般的な方法となっています。

しかし今回、研究者らは、プログラムして 3D プリントした反応性材料で取得できる生きた細胞を使用する方法を実現しました。現在までに行われた研究は、少なくとも哺乳類の細胞ではこれを実行することは不可能であることを示唆しています。これらは、架橋時の紫外線暴露、押し出し時のせん断力など、3D プリンティングの過酷な条件では機能しません。哺乳動物細胞は脂質二重層バルーンであるため、細胞は印刷プロセス中に死滅します。

一方、保護細胞壁を持つ細菌細胞ははるかに強力です。これらは、ポリマーと水で作られた材料であるほとんどのハイドロゲルと互換性があり、幅広い医療用途に使用されます。

新しいリビング レスポンシブ インク

MITの研究者は、新しい技術を使用して、インタラクティブディスプレイやウェアラブルセンサー用の「アクティブ」材料を製造しています。実際、これらの材料を生きた細胞と組み合わせると、環境化学物質や汚染物質、さらには温度や pH のわずかな変化を感知することができます。

チームは、遺伝的にプログラムされた細菌細胞を使用して、細胞を生かしておくためのヒドロゲルと栄養素の混合物で作られたインクを構築しました。

より具体的には、彼らは、緑色蛍光タンパク質（GFP）を生成したり、ヒドロゲル全体に自由に拡散する4つの異なるシグナル伝達化学物質に応答して化学物質を分泌したりできる一連の細菌細胞を操作した。純粋なプルロニック F127 ジアクリレート ミセルを含むバイオ インクは、印刷後に充填状態に回復し、紫外線架橋によって安定化されます。

参考:アドバンストマテリアル | 10.1002/adma.201704821 | MIT ニュース経由

また、さまざまな条件下での 3D プリント構造内の細胞間の相互作用を予測するモデルも構築しました。このモデルは、他の科学者が反応性のある生きたマテリアルを作成するためのガイドとして使用できる可能性があります。

彼らが開発したインクは、約 0.03 ミリメートルまたは 30 マイクロメートルの高解像度で印刷できます。 分析対象物とセンサーのピラミッド状の接続も簡単に実現できます。マルチインク 3D プリンティングにより、GFP 蛍光を出力として使用して複数の論理ゲートを構築できます。彼らはすでにテストパターンをエラストマーに印刷し、化学物質が塗られた皮膚に貼り付けました。

時空間的に制御されたパターニングは、ハイドロゲルの明確な空間分布、シグナル分子の拡散と GFP 生成の時間依存性により実現されます。

N-アシルホモセリンラクトンに反応する細菌からなるゲルは、複雑なパターンで印刷できます。 N-アシルホモセリンラクトン含有ゲルに接続すると、細菌の GFP 生成が誘導され、一晩でセンサー全体に拡散します。  

この方法論を使用して開発された 3D プリント リビング タトゥーは、圧縮、伸張、ねじれに耐えられる 3 つの異なるセンサーを備えています。分析物の適用は、それぞれのセンサー領域でのみ正確な局所応答を引き起こします。  

数時間の間、細菌が化学的刺激に直接接触すると、タトゥーの木の模様のさまざまな部分が光りました。細菌細胞は互いに通信することもでき、別の細胞から特定のシグナルを受け取った後に蛍光を発します。

研究者らは、2つのヒドロゲルフィラメントを印刷したシートを重ねて、3D構造でそれをテストしました。互いに接触し、特定の通信信号を受信すると点灯します。

読む:マグネシウム イオン バッテリーはリチウムよりも効率的で安全です

次は何ですか?

研究者らは、近い将来、生きたウェアラブルな計算プラットフォームや、マイクロチップ上のトランジスタのように信号をやり取りできる数種類のセルを備えた構造を印刷できるようになると期待しています。

彼らは、時間をかけて体内に薬物を送達するようにプログラムできる薬物送達システムと化学センサーの開発に取り組んでいます。