遺伝子操作バクテリアで作る「生きたタトゥー」：新たなバイオプリント革新

MIT、ヒドロゲルと生きた細胞で作るインタラクティブな3Dプリントタトゥーを開発

MITの研究者たちが、遺伝子プログラムされた生きた細胞で作られる特殊なインクを用いた新しい手法を開発しました。試作されたタトゥーは、樹木のようなパターンを持つ薄く透明な貼り付けパッチのような外観です。いくつかのセクションに分かれ、それぞれが異なる化学化合物に感応する細胞で構成されています。このタトゥーが皮膚に接触すると、人間の皮膚に存在する特定の化合物に曝露され、樹木パターンの対応する領域が発光します。これは、細胞が異なる種類の刺激に応じて発光するように設計されているためです。栄養スラリーと水素と組み合わせることで、細胞を層ごとにプリントし、3Dインタラクティブ構造を形成できます。

同分野の先行研究

刺激応答性材料は新しいものではなく、10年以上前から研究開発が進められてきました。例えば、化学物質に反応する材料で化学センサーを作ったり、高温に反応する材料で自己組織化ロボットを開発したりしてきました。3Dプリンティングが広く普及し、低価格化したことで、刺激応答性材料を含む実験的オブジェクトの開発に一般的な手法となっています。しかし、これまでの研究では、哺乳類細胞を用いることは現実的でないとされてきました。哺乳類細胞は、3Dプリントの過酷な条件（架橋時の紫外線曝露、押出時のせん断力など）に耐えられず、脂質二重層の風船のような構造のためプリント過程で死滅してしまいます。一方、保護的な細胞壁を持つバクテリア細胞ははるかに強靭で、幅広い医療用途に使われるヒドロゲル（ポリマーと水の材料）と相性が良いことが分かりました。

新しい「生きた応答性インク」

MIT研究者たちは、インタラクティブディスプレイとウェアラブルセンサーのための「活性」材料を製造する新技術を開発しました。これらの材料は生きた細胞と組み合わせることで、環境化学物質や汚染物質、温度やpHの微細な変化を検知可能です。遺伝子プログラムされたバクテリア細胞を用いて、ヒドロゲルと細胞を生かす栄養混合物からなるインクを作製しました。より具体的には、ヒドロゲル内を自由に拡散する4種類のシグナル化学物質に応じて、緑色蛍光タンパク質（GFP）を生成したり化学物質を分泌したりするバクテリア細胞を設計しました。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、プリント後にパッキング状態に戻り、紫外線架橋によって安定化されます。また、3Dプリント構造内での細胞間相互作用を様々な条件下で予測するモデルも構築し、他の科学者が応答性生体材料を作る際の指針として利用できます。

開発されたインクは、約30マイクロメートル（0.03mm）の高解像度でプリント可能です。ピラミッド状のアナライトとセンサーの接続も容易に実現できます。マルチインク3Dプリントにより、GFP蛍光を出力とする複数の論理ゲートを構築可能です。化学物質を塗布したエラストマーにテストパターンをプリントし、皮膚に貼り付けた実験も行われました。ヒドロゲルの明確な空間分布、シグナル分子拡散の時間依存性、GFP生成により、時空間的に制御されたパターン形成が達成されています。N-アシルホモセリンラクトンに応答するバクテリアを含むゲルを複雑なパターンでプリント可能で、N-アシルホモセリンラクトン含有ゲルと接触すると、バクテリアのGFP生成が誘導され、一晩かけてセンサー全体に散逸します。

この手法で開発された3Dプリント「生きたタトゥー」は、3種類の異なるセンサーを備え、圧縮、伸張、ねじりに耐えることができます。アナライトの適用により、それぞれのセンサー領域のみで精密な局所応答が引き起こされます。数時間にわたり、タトゥーの樹木パターンの異なるセクションが、バクテリアが化学刺激と直接接触すると発光しました。バクテリア細胞同士もコミュニケーション可能で、別の細胞から特定のシグナルを受け取ると蛍光を発します。研究者たちは、2枚のハイドロゲルフィラメントプリントシートを重ねた3D構造でテストし、接触と特定の通信シグナルを得た際に発光することを確認しました。

今後の展望

近い将来、研究者たちは、マイクロチップ上のトランジスタのように、信号をやり取りする複数種類の細胞を持つ、生きた着用可能な計算プラットフォームや構造をプリントできるようになると期待しています。時間をかけて体内に薬物を送達するようにプログラム可能な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。

参考文献

Advanced Materials | 10.1002/adma.201704821 | MIT News